Wetenschappers die gebruik maken van de Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) - een internationaal observatorium waarmee wordt samengewerkt door de National Radio Astronomy Observatory (NRAO) van de Amerikaanse National Science Foundation - hebben een aanzienlijke hoeveelheid koud, neutraal gas waargenomen in de buitenste regionen van de jonge melkwegstelsel A1689-zD1, evenals de uitstroom van heet gas uit het centrum van de melkweg. Deze resultaten kunnen licht werpen op een kritiek stadium van galactische evolutie voor vroege sterrenstelsels, waar jonge sterrenstelsels beginnen te transformeren om steeds meer op hun latere, meer gestructureerde neven te gaan lijken. De waarnemingen werden vandaag gepresenteerd tijdens een persconferentie op de 240e bijeenkomst van de American Astronomical Society (AAS) in Pasadena, Californië, en zullen worden gepubliceerd in een komende editie van The Astrophysical Journal (ApJ).

A1689-zD1 - een jong, actief, stervormend sterrenstelsel dat iets minder lichtgevend en minder massief is dan de Melkweg - bevindt zich op ongeveer 13 miljard lichtjaar afstand van de aarde in het sterrenbeeld Maagd. Het werd ontdekt achter het Abell 1689-cluster van sterrenstelsels in 2007 en werd in 2015 bevestigd dankzij zwaartekrachtlenzen, die de helderheid van het jonge sterrenstelsel met meer dan 9x versterkten. Sindsdien zijn wetenschappers de melkweg blijven bestuderen als een mogelijke analoog voor de evolutie van andere "normale" sterrenstelsels. Dat label - "normaal" - is een belangrijk onderscheid dat onderzoekers heeft geholpen het gedrag en de kenmerken van de A1689-zD1 in twee categorieën in te delen:typisch en ongewoon, waarbij de ongewone kenmerken die van latere en massievere sterrenstelsels nabootsen.

"A1689-zD1 bevindt zich in het zeer vroege heelal - slechts 700 miljoen jaar na de oerknal. Dit is het tijdperk waarin sterrenstelsels zich net begonnen te vormen", zegt Hollis Akins, een student astronomie aan het Grinnell College en de hoofdauteur van het onderzoek. "Wat we in deze nieuwe waarnemingen zien, is bewijs van processen die kunnen bijdragen aan de evolutie van wat we normale sterrenstelsels noemen, in tegenstelling tot massieve sterrenstelsels. Wat nog belangrijker is, is dat dit processen zijn waarvan we eerder niet dachten dat ze op deze normale sterrenstelsels werden toegepast. "

Een van deze ongewone processen is de productie en distributie van stervormende brandstof door de melkweg, en mogelijk veel daarvan. Het team gebruikte ALMA's zeer gevoelige Band 6-ontvanger om zich te concentreren op een halo van koolstofgas die zich tot ver buiten het centrum van het jonge melkwegstelsel uitstrekt. Dit kan een bewijs zijn van aanhoudende stervorming in hetzelfde gebied of het resultaat van structurele verstoringen, zoals fusies of uitstromen, in de vroegste stadia van de vorming van de melkweg.

Volgens Akins is dit ongebruikelijk voor vroege sterrenstelsels. "Het koolstofgas dat we in dit sterrenstelsel hebben waargenomen, bevindt zich meestal in dezelfde regio's als neutraal waterstofgas, waar ook nieuwe sterren worden gevormd. Als dat het geval is met A1689-zD1, is het sterrenstelsel waarschijnlijk veel groter dan eerder werd gedacht Het is ook mogelijk dat deze halo een overblijfsel is van eerdere galactische activiteit, zoals fusies die complexe zwaartekrachten op de melkweg uitoefenden die leidden tot de uitwerping van veel neutraal gas naar deze grote afstanden. In beide gevallen is de vroege evolutie hiervan melkwegstelsel was waarschijnlijk actief en dynamisch, en we leren dat dit een veelvoorkomend, hoewel voorheen onopgemerkt, thema kan zijn in de vroege vorming van sterrenstelsels."

De ontdekking is niet alleen ongebruikelijk, maar kan belangrijke implicaties hebben voor de studie van galactische evolutie, vooral omdat radiowaarnemingen details blootleggen die op optische golflengten onzichtbaar zijn. Seiji Fujimoto, een postdoctoraal onderzoeker aan het Cosmic Dawn Center van het Niels Bohr Institute, en een co-auteur van het onderzoek, zei:"De emissie van het koolstofgas in A1689-zD1 is veel uitgebreider dan wat werd waargenomen met Hubble Space Telescope, en dit zou kunnen betekenen dat vroege sterrenstelsels niet zo klein zijn als ze lijken. Als vroege sterrenstelsels inderdaad groter zijn dan we eerder dachten, zou dit een grote impact hebben op de theorie van de vorming en evolutie van sterrenstelsels in het vroege heelal.'

Onder leiding van Akins observeerde het team ook uitstromen van heet, geïoniseerd gas - meestal veroorzaakt door gewelddadige galactische activiteit zoals supernova's - die vanuit het centrum van de melkweg naar buiten duwden. Het is mogelijk, gezien hun potentieel explosieve aard, dat de uitstroom iets te maken heeft met de koolstofhalo. "Uitstroom vindt plaats als gevolg van gewelddadige activiteit, zoals de explosie van supernova's - die nabijgelegen gasvormig materiaal uit de melkweg blazen - of zwarte gaten in de centra van sterrenstelsels - die sterke magnetische effecten hebben die materiaal in krachtige jets kunnen uitstoten. Omdat hiervan is er een sterke mogelijkheid dat de hete uitstroom iets te maken heeft met de aanwezigheid van de koude koolstofhalo," zei Akins. "En dat benadrukt nog eens het belang van de meerfasige, of warme tot koude aard van het uitstromende gas."

Darach Watson, een universitair hoofddocent aan het Cosmic Dawn Center van het Niels Bohr Institute, en co-auteur van het nieuwe onderzoek, bevestigde dat A1689-zD1 in 2015 een sterrenstelsel met een hoge roodverschuiving was, waardoor het het verst verwijderde stoffige sterrenstelsel is dat we kennen. "We hebben dit soort uitgebreide gashalo-emissie gezien van sterrenstelsels die later in het universum zijn gevormd, maar als we het in zo'n vroeg sterrenstelsel zien, betekent dit dat dit soort gedrag universeel is, zelfs in de meer bescheiden sterrenstelsels die de meeste sterren in de Begrijpen hoe deze processen plaatsvonden in zo'n jong sterrenstelsel is van cruciaal belang om te begrijpen hoe stervorming plaatsvindt in het vroege universum."

Kirsten Knudsen, hoogleraar astrofysica bij de afdeling Ruimte, Aarde en Milieu aan de Chalmers University of Technology, en co-auteur van het onderzoek, vond in 2017 bewijs van het stofcontinuüm van A1689-zD1. Knudsen wees op de toevallige rol van extreme zwaartekracht om elke nieuwe ontdekking in het onderzoek mogelijk te maken. "Omdat A1689-zD1 meer dan negen keer is vergroot, kunnen we kritieke details zien die anders moeilijk waar te nemen zijn in gewone waarnemingen van zulke verre sterrenstelsels. Uiteindelijk zien we hier dat sterrenstelsels in het vroege heelal erg complex zijn, en dit galaxy zal nog geruime tijd nieuwe onderzoeksuitdagingen en resultaten blijven bieden."

Dr. Joe Pesce, NSF-programmafunctionaris voor ALMA, voegde toe:"Dit fascinerende ALMA-onderzoek draagt ​​bij aan een groeiend aantal resultaten dat aangeeft dat de dingen niet helemaal zijn zoals we hadden verwacht in het vroege universum, maar ze zijn niettemin echt interessant en opwindend."

Spectroscopie en infraroodwaarnemingen van A1689-zD1 zijn gepland voor januari 2023, met behulp van de NIRSpec Integral Field Unit (IFU) en NIRCam op de James Webb Space Telescope. De nieuwe waarnemingen vormen een aanvulling op eerdere HST- en ALMA-gegevens en bieden een diepere en completere kijk op meerdere golflengten van het jonge sterrenstelsel. + Verder verkennen

Superzware zwarte gaten in stervende sterrenstelsels gedetecteerd in vroeg heelal