W miarę jak teleskopy stawały się coraz bardziej zaawansowane i potężne, astronomowie byli w stanie wykryć coraz bardziej odległe galaktyki. Są to jedne z najwcześniej powstałych galaktyk w naszym wszechświecie, które zaczęły oddalać się od nas w miarę rozszerzania się wszechświata. W rzeczywistości, im większa odległość, tym szybciej galaktyka wydaje się od nas oddalać. Co ciekawe, możemy oszacować, jak szybko galaktyka się porusza, a co za tym idzie, kiedy powstała, na podstawie tego, jak bardzo „przesunięta w czasie” jest jej emisja. Jest to podobne do zjawiska zwanego „efektem Dopplera”, gdzie obiekty oddalające się od obserwatora emitują światło, które wydaje się przesunięte w kierunku dłuższych fal (stąd termin „redshift”) dla obserwatora.

Teleskop Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA) znajdujący się w środku pustyni Atacama w Chile jest szczególnie dobrze przystosowany do obserwacji takich przesunięć ku czerwieni w emisjach galaktyk. Niedawno zespół międzynarodowych badaczy, w tym profesor Akio Inoue i student studiów magisterskich Tsuyoshi Tokuoka z Uniwersytetu Waseda w Japonii, dr Takuya Hashimoto z Uniwersytetu Tsukuba w Japonii, profesor Richard S. Ellis z University College London oraz dr Nicolas Laporte, pracownik naukowy Uniwersytetu Cambridge w Wielkiej Brytanii, zaobserwował przesunięte w czasie emisje odległej galaktyki, MACS1149-JD1 (dalej JD1), co doprowadziło ich do kilku interesujących wniosków. „Poza odnajdywaniem galaktyk o wysokim przesunięciu ku czerwieni, czyli bardzo odległych, badanie ich wewnętrznego ruchu gazu i gwiazd dostarcza motywacji do zrozumienia procesu powstawania galaktyk w najwcześniejszym możliwym Wszechświecie” – wyjaśnia Ellis. Wyniki ich badań zostały opublikowane w The Astrophysical Journal Letters.

Formowanie się galaktyk rozpoczyna się od nagromadzenia gazu, a następnie formowania z niego gwiazd. Z czasem formowanie gwiazd postępuje od centrum na zewnątrz, powstaje dysk galaktyczny, a galaktyka nabiera określonego kształtu. W trakcie formowania się gwiazd, nowsze gwiazdy tworzą się w obracającym się dysku, podczas gdy starsze pozostają w części centralnej. Badając wiek obiektów gwiazdowych oraz ruch gwiazd i gazu w galaktyce, można określić, na jakim etapie ewolucji znalazła się galaktyka.

Prowadząc serię obserwacji przez okres dwóch miesięcy, astronomowie z powodzeniem zmierzyli niewielkie różnice w „redshifcie” z pozycji na pozycję wewnątrz galaktyki i stwierdzili, że JD1 spełnia kryterium galaktyki zdominowanej przez rotację. Następnie wymodelowali galaktykę jako obracający się dysk i stwierdzili, że bardzo dobrze odtwarza ona obserwacje. Obliczona prędkość obrotowa wynosiła około 50 kilometrów na sekundę, co porównano z prędkością obrotową dysku Drogi Mlecznej wynoszącą 220 kilometrów na sekundę. Zespół zmierzył również średnicę JD1 na poziomie zaledwie 3 tysięcy lat świetlnych, znacznie mniejszą niż średnica Drogi Mlecznej wynosząca 100 tysięcy lat świetlnych.

Znaczenie ich wyników jest takie, że JD1 jest zdecydowanie najodleglejszym, a tym samym najwcześniejszym znalezionym źródłem, które posiada wirujący dysk gazu i gwiazd. Wraz z podobnymi pomiarami bliższych układów w literaturze badawczej, pozwoliło to zespołowi na wyznaczenie stopniowego rozwoju galaktyk rotujących przez ponad 95% naszej kosmicznej historii.

Co więcej, masa oszacowana na podstawie prędkości obrotowej galaktyki była zgodna z masą gwiazdową oszacowaną wcześniej na podstawie sygnatury widmowej galaktyki i pochodziła w przeważającej mierze od masy „dojrzałych” gwiazd, które uformowały się około 300 milionów lat temu. „To pokazuje, że populacja gwiazd w JD1 uformowała się w jeszcze wcześniejszej epoce kosmicznej” – mówi Hashimoto.

„Prędkość rotacji JD1 jest znacznie wolniejsza niż ta, którą można znaleźć w galaktykach w późniejszych epokach oraz w naszej Galaktyce i jest prawdopodobne, że JD1 jest na początkowym etapie rozwoju ruchu obrotowego” – mówi Inoue. Dzięki niedawno uruchomionemu Kosmicznemu Teleskopowi Jamesa Webba, astronomowie planują teraz zidentyfikować lokalizacje młodych i starszych gwiazd w galaktyce, aby zweryfikować i zaktualizować swój scenariusz powstawania galaktyk.

Źródło: Waseda University