Az univerzum fejlődését leíró elméletek szerint az ősrobbanás utáni időszakban lassan indult meg az atomok és a sötét anyag csomósodása, és ezekből fokozatosan alakultak ki a galaxisok. Így a korai univerzumban, 1-2 milliárd évvel a keletkezése után, még kevés nagy tömegű galaxisra számítunk. Azonban ha sikerülne megfigyelni ennél korábbiakat, akkor jelentősen módosítanunk kellene az eddigi elképzeléseinket a világegyetem fejlődéséről. A James Webb Űrteleszkóp (JWST) segítségével ilyen korai galaxisokra vadásztak a kutatók.

Az ausztráliai Swinburne Egyetemen Karl Glazebrook és munkatársai az ősi ZF-UDS-7329 galaxist vették célpontba. Korábban a legnagyobb földi távcsövekkel próbálták megfigyelni, azonban a fénye olyan közel esett az infravöröshöz, hogy nem sikerült pontos méréseket végezni. Végül több év sikertelen megfigyelés után 2022-ben a JWST NIRSpec (infravörös-közeli spektrográf) műszerével sikerült lencsevégre kapniuk a 11,5 milliárd éves galaxist. 

A ZF-UDS-7329 színképe. 4000 Ångströmnél (400 nanométer) látható a Balmer-ugrás, amely a hidrogén egyik jellegzetes színképvonala, és pontos vöröseltolódás-meghatározást tesz lehetővé. A zöld színű vonal a ZF-COS-20115 galaxis színképe, azonos vöröseltolódásra korrigálva. Hasonló tömeg mellett eltérő színképvonalakat mutat, ami aktívabb csillagkeletkezésre utal. A beágyazott kis képen a ZF-UDS-7329 bélyegképe látható.

A ZF-UDS-7329 egy nyugodt, csillagképződést alig mutató galaxis, amelynek nagyon vörös színképe öreg korára utal. Infravörös közeli kamerával (NIRCam) készített képén kompakt, 2 kiloparszek (kb. 6500 fényév) sugarú vörös korong látható. Sem a színképe, sem a fotometriai adatok nem utalnak aktív galaxismagra vagy csillagképződésre. Csillagkeletkezési történetének modellezésével megállapították a tömegét, fémességét, és mindezekből következtettek a keletkezésének idejére. A 100 milliárd naptömegű galaxis közel 13 milliárd éve születhetett, azaz nagyjából 1,5 milliárd éves lehetett a megfigyelés pillanatában. Ez meglepte a kutatókat, hiszen ellentmond a jelenlegi csillag- és galaxiskeletkezési elméleteknek.

Kormeghatározás fémességgel. A Nap fémességét alapul véve modelleztek eltérő korú galaxisokhoz tartozó színképeket. A ZF-UDS-7329 színképe a 2 milliárd évet jelölő görbével mutat legjobb egyezést.

A legelfogadottabb modellek szerint az idő hajnalán a sötét anyag halókban (felhőkben) lévő atomos anyagnak maximum 30%-ából képződtek csillagok. A sötét anyag csak gravitációsan kölcsönható, de más módon nem megfigyelhető anyag, ami az univerzumban található össz anyagmennyiségnek közel 75%-át teszi ki . A kutatók ezért sötétanyag-szimulációkkal vizsgálták, hogyan lehetséges ilyen masszív galaxisok keletkezése. Eszerint feleannyi idősnek, vagy tizedakkora tömegűnek, vagy nagyon ritkának kellene lennie. Ezek a modellek azt feltételezik, hogy több galaxis összeolvadásából keletkezhetett a ZF-UDS-7329, ami szintén fiatalabb csillagpopulációkat jósol, mint amilyeneket megfigyeltek benne.

Szimulációk összesítése a jósolt csillagkeletkezési sebességre. Az ábra kaotikusságából is érezhetjük, hogy nincs jó egyezés a modellek és a megfigyelt galaxis között. Mi több, még a szimulációk is eltéréseket mutatnak egymás között.

Úgy néz ki, hogy másként működik a korai univerzumban a csillagképződés és a galaxisok kialakulása, mint ahogy eddig gondoltuk. A dinamikusan fejlődő sötét anyag vagy más egzotikus elméletek megoldást adhatnak a rejtélyre, miközben észlelési adatokkal folyamatosan pontosítják a képet a kutatók. Több öreg galaxis rejtőzködhet még a korai univerzumban, amit eddig még nem tudtunk megfigyelni. Szerencsére a James Webb-űrteleszkóppal lehetőség van ilyen ősi mammutgalaxisok levadászására, így csak idő kérdése, hogy választ kapjunk a kérdéseinkre.

A hír a Tudományos közlés művészete c. ELTE-kurzus sikeres teljesítéséhez készült el.

Forrás: Glazebrook, K., Nanayakkara, T., Schreiber, C. et al. A massive galaxy that formed its stars at z ≈ 11. Nature 628, 277–281 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07191-9