Met behulp van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), astronomen hebben een roterend babystelsel gevonden dat 1/100ste van de grootte van de Melkweg is in een tijd dat het heelal slechts 7 procent van zijn huidige leeftijd had. Dankzij de hulp van het zwaartekrachtlenseffect, het team was in staat om voor het eerst de aard van kleine en donkere "normale sterrenstelsels" in het vroege heelal te onderzoeken, vertegenwoordiger van de belangrijkste populatie van de eerste sterrenstelsels, wat ons begrip van de beginfase van de evolutie van sterrenstelsels enorm vergroot.

"Veel van de sterrenstelsels die in het vroege heelal bestonden, waren zo klein dat hun helderheid ver onder de limiet van de huidige grootste telescopen op aarde en in de ruimte ligt, het moeilijk maken om hun eigenschappen en interne structuur te bestuderen, " zegt Nicolas Laporte, een Kavli Senior Fellow aan de Universiteit van Cambridge. "Echter, het licht afkomstig van de melkweg genaamd RXCJ0600-z6, werd sterk vergroot door zwaartekrachtlenzen, waardoor het een ideaal doelwit is voor het bestuderen van de eigenschappen en structuur van typische babysterrenstelsels."

Zwaartekrachtlensing is een natuurlijk fenomeen waarbij licht dat wordt uitgestraald door een ver object wordt afgebogen door de zwaartekracht van een massief lichaam zoals een melkwegstelsel of een cluster van melkwegstelsels op de voorgrond. De naam "gravitationele lenswerking" is afgeleid van het feit dat de zwaartekracht van het massieve object werkt als een lens. Als we door een zwaartekrachtlens kijken, het licht van verre objecten wordt geïntensiveerd en hun vormen worden uitgerekt. Met andere woorden, het is een "natuurlijke telescoop" die in de ruimte zweeft.

Het ALMA Lensing Cluster Survey (ALCS)-team gebruikte ALMA om te zoeken naar een groot aantal sterrenstelsels in het vroege heelal die worden vergroot door zwaartekrachtlenzen. Door de kracht van ALMA te combineren, met behulp van de natuurlijke telescopen, de onderzoekers zijn in staat om zwakkere sterrenstelsels bloot te leggen en te bestuderen.

Waarom is het cruciaal om de zwakste sterrenstelsels in het vroege heelal te verkennen? Theorie en simulaties voorspellen dat de meeste sterrenstelsels die een paar honderd miljoen jaar na de oerknal zijn gevormd, klein zijn, en dus flauw. Hoewel eerder verschillende sterrenstelsels in het vroege heelal zijn waargenomen, de bestudeerde waren beperkt tot de meest massieve objecten, en daarom de minder representatieve sterrenstelsels in het vroege heelal, vanwege de mogelijkheden van de telescoop. De enige manier om de standaardvorming van de eerste sterrenstelsels te begrijpen, en een compleet beeld te krijgen van de vorming van sterrenstelsels, is om zich te concentreren op de zwakkere en talrijkere sterrenstelsels.

Het ALCS-team voerde een grootschalig observatieprogramma uit dat 95 uur duurde, wat erg lang is voor ALMA-waarnemingen, om de centrale gebieden van 33 clusters van sterrenstelsels te observeren die zwaartekrachtlensing zouden kunnen veroorzaken. Een van deze clusters, genaamd RXCJ0600-2007, bevindt zich in de richting van het sterrenbeeld Lepus, en heeft een massa van 1000 biljoen keer die van de zon. Het team ontdekte een enkel ver sterrenstelsel dat wordt beïnvloed door de zwaartekrachtlens die door deze natuurlijke telescoop is gemaakt. ALMA detecteerde het licht van koolstofionen en sterrenstof in de melkweg, en samen met gegevens die zijn gemaakt met de Gemini-telescoop, bepaald dat het sterrenstelsel wordt gezien zoals het was ongeveer 900 miljoen jaar na de oerknal (12,9 miljard jaar geleden). Nadere analyse van deze gegevens suggereerde dat een deel van deze bron 160 keer helderder wordt gezien dan het intrinsiek is.

Door nauwkeurig de massaverdeling van de cluster van sterrenstelsels te meten, het is mogelijk om het zwaartekrachtlenseffect "ongedaan te maken" en het oorspronkelijke uiterlijk van het vergrote object te herstellen. Door gegevens van de Hubble Space Telescope en de Very Large Telescope van de European Southern Observatory te combineren met een theoretisch model, het team slaagde erin de werkelijke vorm van het verre sterrenstelsel RXCJ0600-z6 te reconstrueren. De totale massa van dit sterrenstelsel is ongeveer 2 tot 3 miljard keer die van de zon, dat is ongeveer 1/100ste van de grootte van ons eigen Melkwegstelsel.

Wat het team verbaasde, is dat de RXCJ0600-z6 draait. traditioneel, gas in de jonge sterrenstelsels werd verondersteld willekeurige, chaotische beweging. Pas onlangs heeft ALMA verschillende roterende jonge sterrenstelsels ontdekt die het traditionele theoretische kader op de proef stellen, maar deze waren verschillende ordes van grootte helderder (groter) dan RXCJ0600-z6.

"Onze studie toont aan, Voor de eerste keer, dat we de interne beweging van zulke zwakke (minder massieve) sterrenstelsels in het vroege heelal direct kunnen meten en vergelijken met de theoretische voorspellingen", zegt Kotaro Kohno, een professor aan de Universiteit van Tokyo en de leider van het ALCS-team.

"Het feit dat de RXCJ0600-z6 een zeer hoge vergrotingsfactor heeft, wekt ook verwachtingen voor toekomstig onderzoek, " legt Seiji Fujimoto uit, een DAWN-fellow aan het Niels Bohr Institute. "Dit sterrenstelsel is geselecteerd, onder honderden, waargenomen door de James Webb Space Telescope (JWST), de volgende generatie ruimtetelescoop die dit najaar wordt gelanceerd. Door gezamenlijke waarnemingen met ALMA en JWST, we zullen de eigenschappen van gas en sterren in een babymelkwegstelsel en zijn interne bewegingen onthullen. Wanneer de Dertig Meter Telescoop en de Extreem Grote Telescoop voltooid zijn, ze kunnen clusters van sterren in de melkweg detecteren, en mogelijk zelfs individuele sterren oplossen. Er is een voorbeeld van zwaartekrachtlensgebruik dat is gebruikt om een ​​enkele ster op 9,5 miljard lichtjaar afstand waar te nemen, en dit onderzoek heeft het potentieel om dit uit te breiden tot minder dan een miljard jaar na de geboorte van het heelal."

Deze observatieresultaten werden gepresenteerd in Seiji Fujimoto et al. "ALMA Lensing Cluster Survey:Bright [CII] 158 m Lines from a Multiply Imaged Sub-L* Galaxy at z =6.0719" in de Astrofysisch tijdschrift op 22 april 2021, en Nicolas Laporte et al. "ALMA Lensing Cluster Survey:een stoffig systeem met meerdere lenzen met veel lenzen op z> 6" in de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society op 22 april 2021.