Analyseren van gegevens verkregen met de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), onderzoekers vonden een sterrenstelsel met een spiraalvormige morfologie slechts 1,4 miljard jaar na de oerknal. Dit is het oudste sterrenstelsel in zijn soort dat ooit is waargenomen. De ontdekking van een melkwegstelsel met een spiraalstructuur in zo'n vroeg stadium is een belangrijke aanwijzing voor het oplossen van de klassieke vragen van de astronomie:"Hoe en wanneer zijn spiraalstelsels ontstaan?"

"Ik was opgewonden omdat ik nog nooit zo'n duidelijk bewijs van een roterende schijf had gezien, spiraalvormige structuur, en gecentraliseerde massastructuur in een ver sterrenstelsel in eerdere literatuur, " zegt Takafumi Tsukui, een afgestudeerde student aan SOKENDAI en de hoofdauteur van de onderzoekspaper gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap . "De kwaliteit van de ALMA-gegevens was zo goed dat ik zoveel details kon zien dat ik dacht dat het een nabijgelegen sterrenstelsel was."

Het Melkwegstelsel, waar wij wonen, is een spiraalstelsel. Spiraalstelsels zijn fundamentele objecten in het heelal, goed voor maar liefst 70% van het totale aantal sterrenstelsels. Echter, andere studies hebben aangetoond dat het aandeel spiraalstelsels snel afneemt als we terugkijken in de geschiedenis van het heelal. Dus, wanneer werden de spiraalstelsels gevormd?

Tsukui en zijn supervisor Satoru Iguchi, een professor aan SOKENDAI en de National Astronomical Observatory of Japan, merkte een sterrenstelsel op met de naam BRI 1335-0417 in het ALMA Science Archive. Het sterrenstelsel bestond 12,4 miljard jaar geleden en bevatte een grote hoeveelheid stof, die het sterrenlicht verduistert. Dit maakt het moeilijk om dit sterrenstelsel met zichtbaar licht in detail te bestuderen. Anderzijds, ALMA kan radio-emissies van koolstofionen in de melkweg detecteren, waarmee we kunnen onderzoeken wat er in de melkweg gebeurt.

De onderzoekers vonden een spiraalstructuur die zich uitstrekte over 15, 000 lichtjaar van het centrum van de melkweg. Dit is een derde van de grootte van het Melkwegstelsel. De geschatte totale massa van de sterren en interstellaire materie in BRI 1335-0417 is ongeveer gelijk aan die van de Melkweg.

"Aangezien BRI 1335-0417 een zeer ver object is, we kunnen misschien niet de ware rand van de melkweg zien in deze observatie, " merkt Tsukui op. "Voor een sterrenstelsel dat in het vroege heelal bestond, BRI 1335-0417 was een reus."

Dan wordt de vraag hoe werd deze duidelijke spiraalstructuur gevormd in slechts 1,4 miljard jaar na de oerknal? De onderzoekers overwogen meerdere mogelijke oorzaken en suggereerden dat dit te wijten zou kunnen zijn aan een interactie met een klein sterrenstelsel. BRI 1335-0417 vormt actief sterren en de onderzoekers ontdekten dat het gas in het buitenste deel van de melkweg zwaartekracht onstabiel is, wat bevorderlijk is voor stervorming. Deze situatie zal zich waarschijnlijk voordoen wanneer een grote hoeveelheid gas van buitenaf wordt aangevoerd, mogelijk als gevolg van botsingen met kleinere sterrenstelsels.

Ook het lot van BRI 1335-0417 is in nevelen gehuld. Melkwegstelsels die grote hoeveelheden stof bevatten en actief sterren produceren in het oude heelal, worden beschouwd als de voorouders van de gigantische elliptische sterrenstelsels in het huidige heelal. In dat geval, BRI 1335-0417 verandert in de toekomst van vorm van een schijfstelsel naar een elliptisch sterrenstelsel. Of, in tegenstelling tot de conventionele opvatting, het sterrenstelsel kan nog lange tijd een spiraalstelsel blijven. BRI 1335-0417 zal een belangrijke rol spelen in de studie van de evolutie van de vorm van sterrenstelsels gedurende de lange geschiedenis van het heelal.

"Ons zonnestelsel bevindt zich in een van de spiraalarmen van de Melkweg, " legt Iguchi uit. "Het traceren van de wortels van de spiraalstructuur zal ons aanwijzingen geven over de omgeving waarin het zonnestelsel is geboren. Ik hoop dat dit onderzoek ons ​​begrip van de vormingsgeschiedenis van sterrenstelsels verder zal vergroten."

Deze onderzoeksresultaten worden gepresenteerd in T. Tsukui &S. Iguchi "Spiral morphology in a intens star-forming disk galaxy more than 12 billion years ago" online gepubliceerd door het tijdschrift Wetenschap op donderdag, 20 mei, 2021.