Hur bildas de mest stjärntäta områdena i universum, de så kallade sfäroiderna, som dominerar både elliptiska galaxer och spiralgalaxers kärnor? Trots decennier av forskning har denna fråga länge varit ett mysterium. En ny studie med data från ALMA som prublicerades i Nature i förra veckan ger nu nya insikter: sfäroider kan bildas direkt genom intensiv stjärnbildning i kärnorna av ljusstarka, stjärnbildande galaxer i det tidiga universum.
Sfäroider och deras betydelse
Sfäroider är de stjärntäta strukturer som utgör galaxkärnan i spiralgalaxer och som helt dominerar elliptiska galaxer. De innehåller majoriteten av stjärnorna i dagens universum och spelar en central roll i galaxers utveckling. Tidigare teorier har ofta förklarat deras uppkomst som resultatet av våldsamma galaxkollisioner eller andra extrema händelser, men exakt hur de bildas har varit svårt att fastställa.
Upptäckterna i den nya studien
Med hjälp av ALMA:s högupplösta observationer har forskare visat att sfäroider kan formas direkt i ljusstarka, stofttäta galaxkärnor. Dessa galaxer har en tredimensionell, tillplattad form och är mycket kompakta. De är bredare än de är tjocka, där deras ”höjd” (tjocklek) i genomsnitt bara är hälften så stor som deras längsta utsträckning. Denna tillplattade form tyder på att de inte utvecklas som klassiska spiralgalaxer utan genom intensiv stjärnbildning i sina kärnor.
Processerna bakom sfäroidbildning
Studien pekar på två huvudsakliga mekanismer bakom sfäroiderna: gasackretion och galaxinteraktioner. Gasackretion innebär att stora mängder kall gas från omgivande rymden dras in mot galaxen av dess gravitation. När denna gas strömmar in mot galaxens kärna kan den skapa instabiliteter som komprimerar gasen och leder till intensiv stjärnbildning.
Galaxinteraktioner syftar på hur galaxer påverkar varandra genom gravitation, antingen genom direkta kollisioner eller när de passerar tillräckligt nära för att deras gravitationsfält ska störa varandras struktur. Sådana interaktioner kan dra gas mot galaxkärnan, där den samlas och förtätas, vilket ytterligare triggar stjärnbildning. Tidigare teorier har ofta fokuserat på de mest våldsamma scenarierna, som direkta galaxkollisioner, men denna studie visar att även mindre dramatiska interaktioner kan spela en viktig roll.
Hur studien genomfördes
Forskarna använde data från ALMA för att analysera 146 submillimeter-ljusstarka galaxer i de kosmologiska fälten COSMOS och GOODS-S. Dessa galaxer valdes eftersom de hade en mycket hög signal-till-brusnivå, vilket säkerställer att signalerna från galaxerna var tydliga och tillförlitliga för att göra noggranna analyser.
Med hjälp av den högupplösta radiodataa skapade forskarna ytljusstyrkeprofiler, som visade hur ljuset från stoft och gas fördelade sig över galaxerna. Dessa profiler avslöjade att de flesta galaxer i urvalet inte hade skivformade ljusprofiler utan snarare den brantare lutning som är typisk för sfäroider. De kunde även mäta galaxernas tredimensionella form genom att analysera förhållandet mellan deras längsta och kortaste axlar. Detta visade att galaxerna generellt var tillplattade och inte platta skivor, vilket bekräftar att de var sfäroida.
Forskarna mätte också storleken på galaxerna med hjälp av deras halvljusradier, det område som innehåller hälften av det totala ljuset från galaxen. De fann att galaxerna i genomsnitt var mycket kompakta, med halvljusradier på cirka 1,4 kiloparsek – betydligt mindre än typiska moderna galaxer som Vintergatan.
För att stärka sina resultat använde forskarna simuleringar för att jämföra olika mekanismer som gasackretion och galaxinteraktioner. Detta hjälpte dem att förstå hur dessa processer kunde producera de kompakta sfäroida strukturer som observerades i det tidiga universum.
Hur sfäroider förändrar vår förståelse av galaxer
Denna forskning ger oss en ny syn på sfäroider. De behöver inte alltid bildas genom våldsamma händelser som kollisioner, utan kan också uppstå genom mer subtila processer som gasinflöde och stjärnbildning i de stofttäta kärnorna. Detta breddar vår förståelse av hur både elliptiska galaxer och galaxkärnor i spiralgalaxer utvecklas över tid.
Upptäckten visar att universum inte bara är en plats för våldsam utveckling, utan också för raffinerade, långsiktiga processer som formar dess mest massiva stjärnsamlingar. Studien av sfäroider från universums tidiga historia kompletterar nyliga upptäckter av ultramassiva och dammrika galaxer, som beskrevs i artikeln ”Tre röda monstergalaxer från universums barndom förvånar astronomerna” i Aurora den 22 november. Båda studierna belyser hur universums mest stjärntäta strukturer formades under den kosmiska barndomen och hur stjärnbildning kunde ske under oväntat extrema förhållanden.
