Οι αστρονόμοι ανέλαβαν τον ρόλο των κοσμικών αρχαιολόγων, χρησιμοποιώντας το Διαστημικό Τηλεσκόπιο James Webb (JWST) για να «ανασκάψουν» πάνω από 100 σπειροειδείς γαλαξίες που χρονολογούνται έως και 11 δισεκατομμύρια έτη πριν. Όπως τα αρχαιολογικά ευρήματα στη Γη διηγούνται την ιστορία της ανθρωπότητας, έτσι και αυτοί οι μακρινοί γαλαξίες μπορεί να αποκαλύψουν την ιστορία του δικού μας, του γαλαξία.
Η δομή του Γαλαξία: Παχύς και λεπτός δίσκος
Ο στόχος αυτής της έρευνας ήταν να ανακαλύψουν γιατί οι γαλαξίες όπως ο Γαλαξίας μας αποτελούνται από παχείς δίσκους αστέρων με ενσωματωμένους λεπτούς αστρικούς δίσκους. Κάθε ένας από αυτούς τους δίσκους περιέχει διαφορετικό πληθυσμό άστρων με διακριτές κινήσεις.
Η ερευνητική ομάδα ήθελε να κατανοήσει πώς και γιατί σχηματίζεται αυτή η δομή των «δύο δίσκων» και στράφηκε σε παρατηρήσεις 111 γαλαξιών-δίσκων που από τη Γη φαίνονται «ακροθιγώς». Αυτή ήταν η πρώτη φορά που αστρονόμοι μελέτησαν τη δομή παχέων και λεπτών δίσκων σε γαλαξίες που υπήρχαν στα βρεφικά στάδια του σύμπαντος, ήδη από 2,8 δισεκατομμύρια χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.
«Αυτή η μοναδική μέτρηση του πάχους των δίσκων σε υψηλό ερυθρομετατόπιση, δηλαδή σε πρώιμες εποχές του σύμπαντος, είναι ένα σημείο αναφοράς για θεωρητική μελέτη που κατέστη δυνατή μόνο χάρη στο JWST», δήλωσε ο επικεφαλής της ομάδας Takafumi Tsukui από το Αυστραλιανό Εθνικό Πανεπιστήμιο. «Συνήθως, τα παλαιότερα, παχύτερα αστέρια του δίσκου είναι αμυδρά, και τα νεαρά αστέρια του λεπτού δίσκου λάμπουν περισσότερο από ολόκληρο τον γαλαξία».
«Αλλά με την ανάλυση του JWST και τη μοναδική του ικανότητα να βλέπει μέσα από τη σκόνη και να τονίζει τα αμυδρά παλαιά άστρα, μπορούμε να εντοπίσουμε τη δομή των δύο δίσκων στους γαλαξίες και να μετρήσουμε ξεχωριστά το πάχος τους».
Αποκαλύπτοντας την ιστορία του Γαλαξία
Το πρώτο βήμα της ομάδας ήταν να ταξινομήσει τους 111 γαλαξίες σε δύο κατηγορίες: με δύο δίσκους και με έναν μόνο δίσκο.
Αυτό φαίνεται να δείχνει πως οι γαλαξίες πρώτα σχηματίζουν τον παχύ αστρικό δίσκο, ενώ ο λεπτός δίσκος εμφανίζεται αργότερα. Η ομάδα θεωρεί πως ο χρόνος σχηματισμού αυτών των δίσκων εξαρτάται από τη μάζα του κάθε γαλαξία. Οι γαλαξίες μεγάλης μάζας με αρχικά μόνο έναν δίσκο μετασχηματίστηκαν σε δύο-δίσκους σχηματίζοντας ενσωματωμένο λεπτό δίσκο πριν από περίπου 8 δισεκατομμύρια χρόνια, σε ένα σύμπαν ηλικίας περίπου 14 δισεκατομμυρίων ετών. Αντίθετα, οι γαλαξίες μικρότερης μάζας φαίνεται να υπέστησαν αυτή τη μετάβαση μόλις όταν ήταν περίπου 4 δισεκατομμυρίων ετών.
«Είναι η πρώτη φορά που ήταν δυνατό να διακριθούν λεπτοί αστρικοί δίσκοι σε υψηλή ερυθρομετατόπιση. Το καινοτόμο εδώ είναι το πότε αρχίζουν να εμφανίζονται αυτοί οι λεπτοί δίσκοι», δήλωσε η Emily Wisnioski, μέλος της ερευνητικής ομάδας. «Το να βλέπουμε λεπτούς αστρικούς δίσκους ήδη πριν από 8 δισεκατομμύρια χρόνια, ή και νωρίτερα, ήταν έκπληξη».
Ο ρόλος του αερίου και της καταιγιστικής γέννησης άστρων
Η ομάδα στη συνέχεια επιδίωξε να προσδιορίσει τι προκαλεί αυτές τις μεταβάσεις στους διάφορους τύπους γαλαξιών. Για να το κάνει αυτό, οι ερευνητές επεκτάθηκαν πέρα από το δείγμα των 111 γαλαξιών για να μελετήσουν τη ροή αερίου γύρω από αυτούς.
Χρησιμοποίησαν δεδομένα κίνησης αερίου από το Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) – μια συστοιχία 66 κεραιών στη βόρεια Χιλή που λειτουργεί ως ενιαίο τηλεσκόπιο – και από άλλα επίγεια παρατηρητήρια.
Αυτά έδειξαν ότι το ταραγμένο αέριο στο πρώιμο σύμπαν προκαλεί εκρήξεις έντονης αστρογένεσης στους γαλαξίες, γεννώντας τους παχείς αστρικούς δίσκους. Καθώς σχηματίζονται αυτά τα άστρα, το αέριο σταθεροποιείται, μειώνει την αναταραχή του και αραιώνεται. Έτσι οδηγείται στον σχηματισμό του λεπτού αστρικού δίσκου.
Ταχύτητα εξέλιξης ανάλογα με τη μάζα
Αυτή η διαδικασία, λέει η ομάδα, διαρκεί διαφορετικό χρονικό διάστημα ανάλογα με τη μάζα του γαλαξία, επειδή οι γαλαξίες υψηλής μάζας μετατρέπουν πιο αποδοτικά το αέριο σε άστρα από ό,τι οι χαμηλής μάζας. Αυτό σημαίνει ότι στους πρώτους το αέριο εξαντλείται γρηγορότερα, επιτρέποντας στον λεπτό δίσκο να σχηματιστεί νωρίτερα.
Αυτό σχετίζεται και με τον δικό μας Γαλαξία. Η χρονική στιγμή αυτών των μεταβάσεων αντιστοιχεί στην περίοδο κατά την οποία θεωρείται ότι ο Γαλαξίας μας απέκτησε τον λεπτό αστρικό του δίσκο.
Το παρελθόν ζωντανεύει μέσω άλλων γαλαξιών
Η έρευνα της ομάδας αποδεικνύει ότι το JWST μπορεί να κοιτάξει πίσω στον χρόνο και να βρει γαλαξίες που ταιριάζουν με την εξελικτική πορεία του δικού μας Γαλαξία, επιτρέποντας σε αυτούς τους μακρινούς γαλαξίες να λειτουργούν ως «αντικαταστάτες» που διηγούνται την ιστορία του Γαλαξία μας.
Το επόμενο βήμα της έρευνας θα είναι η προσθήκη περισσότερων δεδομένων για να διαπιστωθεί αν οι σχέσεις που παρατηρήθηκαν συνεχίζουν να ισχύουν.
«Υπάρχουν ακόμη πολλά που θέλουμε να εξερευνήσουμε», δήλωσε ο Tsukui. «Θέλουμε να προσθέσουμε είδη πληροφοριών που συνήθως έχουμε για κοντινούς γαλαξίες, όπως κίνηση άστρων, ηλικία και μεταλλικότητα [δηλαδή η αφθονία στοιχείων βαρύτερων από το υδρογόνο και το ήλιο]».
«Κάνοντάς το, μπορούμε να γεφυρώσουμε τα ευρήματα από γαλαξίες κοντινούς και μακρινούς και να βελτιώσουμε την κατανόηση της δημιουργίας των γαλαξιακών δίσκων».
Τα αποτελέσματα της ομάδας δημοσιεύονται στην έκδοση Ιουλίου του περιοδικού Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.