Οι τρέχουσες θεωρίες του σχηματισμού γαλαξιών βασίζονται στην ιεραρχική συγχώνευση μικρότερων οντοτήτων σε μεγαλύτερες και μεγαλύτερες δομές, ξεκινώντας από το μέγεθος ενός αστρικού σφαιρικού σμήνους και τελειώνει με συστάδες γαλαξιών. Σύμφωνα με αυτό το σενάριο, θεωρείται ότι δεν υπήρχαν τεράστιοι γαλαξίες στο νέο σύμπαν.
Ωστόσο, αυτή η άποψη ενδέχεται να πρέπει τώρα να αναθεωρηθεί. Χρησιμοποιώντας το όργανο FORS2 πολλαπλών τρόπων λειτουργίας στο Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο στο Paranal, μια ομάδα Ιταλών αστρονόμων εντόπισε τέσσερις απομακρυσμένους γαλαξίες, αρκετές φορές πιο ογκώδεις από τον γαλαξία του Γαλαξία, ή τόσο μεγάλους όσο οι βαρύτεροι γαλαξίες στο σημερινό σύμπαν. Αυτοί οι γαλαξίες πρέπει να έχουν σχηματιστεί όταν το Σύμπαν ήταν μόλις 2.000 εκατομμύρια χρόνια, δηλαδή περίπου 12.000 εκατομμύρια χρόνια πριν.
Τα αντικείμενα που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα μπορεί να είναι μέλη ενός πληθυσμού παλιών μαζικών γαλαξιών που δεν έχουν εντοπιστεί μέχρι τώρα.
Η ύπαρξη τέτοιων συστημάτων δείχνει ότι η συσσώρευση μαζικών ελλειπτικών γαλαξιών ήταν πολύ ταχύτερη στο πρώιμο Σύμπαν από το αναμενόμενο από την τρέχουσα θεωρία.
Ιεραρχική συγχώνευση
Οι γαλαξίες είναι σαν νησιά στο Σύμπαν, φτιαγμένα από αστέρια, καθώς και σύννεφα σκόνης και αερίου. Έρχονται σε διαφορετικά μεγέθη και σχήματα. Οι αστρονόμοι διακρίνουν γενικά τους σπειροειδείς γαλαξίες - όπως τον δικό μας Γαλαξία, το NGC 1232 ή τον περίφημο γαλαξία της Ανδρομέδας - και τους ελλειπτικούς γαλαξίες, οι τελευταίοι περιέχουν κυρίως παλιά αστέρια και έχουν πολύ λίγη σκόνη ή αέριο. Ορισμένοι γαλαξίες είναι ενδιάμεσοι μεταξύ σπειρών και ελλειπτικών και αναφέρονται ως φακοειδείς ή σφαιροειδείς γαλαξίες.
Οι γαλαξίες δεν έχουν μόνο ξεχωριστό σχήμα, αλλά επίσης ποικίλουν σε μέγεθος: μερικοί μπορεί να είναι τόσο «ελαφροί» όσο ένα αστρικό σφαιρικό σύμπλεγμα στον Γαλαξία μας (δηλαδή περιέχουν περίπου το ισοδύναμο μερικών εκατομμυρίων Ήλιων), ενώ άλλοι μπορεί να είναι πιο ογκώδεις από ένα εκατομμύριο ήλιοι. Επί του παρόντος, περισσότερα από τα μισά άστρα στο Σύμπαν βρίσκονται σε τεράστιους σφαιροειδείς γαλαξίες.
Ένα από τα κύρια ανοιχτά ερωτήματα της σύγχρονης αστροφυσικής και κοσμολογίας είναι πώς και πότε σχηματίστηκαν και εξελίχθηκαν οι γαλαξίες ξεκινώντας από το αρχέγονο αέριο που γέμισε το πρώιμο Σύμπαν. Στη δημοφιλέστερη τρέχουσα θεωρία, οι γαλαξίες στο τοπικό Σύμπαν είναι το αποτέλεσμα μιας σχετικά αργής διαδικασίας όπου οι μικροί και λιγότερο ογκώδεις γαλαξίες συγχωνεύονται για να δημιουργήσουν σταδιακά μεγαλύτερους και πιο μαζικούς γαλαξίες. Σε αυτό το σενάριο, που ονομάζεται «ιεραρχική συγχώνευση», το νεαρό Σύμπαν κατοικήθηκε από μικρούς γαλαξίες με μικρή μάζα, ενώ το παρόν Σύμπαν περιέχει μεγάλους, παλιούς και μαζικούς γαλαξίες - τον τελευταίο που σχηματίζεται στο τελικό στάδιο μιας αργής διαδικασίας συναρμολόγησης.
Εάν αυτό το σενάριο ήταν αληθινό, τότε δεν πρέπει να μπορεί κανείς να βρει τεράστιους ελλειπτικούς γαλαξίες στο νέο σύμπαν. Ή, με άλλα λόγια, λόγω της πεπερασμένης ταχύτητας του φωτός, δεν πρέπει να υπάρχουν τόσο μεγάλοι γαλαξίες πολύ μακριά από εμάς. Και μάλιστα, μέχρι τώρα κανένας παλιούς ελλειπτικός γαλαξίας δεν ήταν γνωστός πέρα από έναν ραδιο-γαλαξία στο redshift 1,55 που ανακαλύφθηκε πριν από περίπου δέκα χρόνια.
Η έρευνα K20
Προκειμένου να κατανοήσουμε καλύτερα τη διαδικασία σχηματισμού γαλαξιών και να επαληθεύσουμε εάν το ιεραρχικό σενάριο συγχώνευσης είναι έγκυρο, μια ομάδα Ιταλών και αστρονόμων του ESO χρησιμοποίησε το Πολύ Μεγάλο Τηλεσκόπιο του ESO ως «μηχανή χρόνου» για να κάνει αναζήτηση για πολύ απομακρυσμένους ελλειπτικούς γαλαξίες. Ωστόσο, αυτό δεν είναι ασήμαντο. Οι απομακρυσμένοι ελλειπτικοί γαλαξίες, με την περιεκτικότητά τους σε παλιά και κόκκινα αστέρια, πρέπει να είναι πολύ εξασθενημένα αντικείμενα πράγματι σε οπτικά μήκη κύματος καθώς το μεγαλύτερο μέρος του φωτός τους μετατοπίζεται εκ νέου στο υπέρυθρο τμήμα του φάσματος. Οι απομακρυσμένοι ελλειπτικοί γαλαξίες είναι επομένως ένας από τους πιο δύσκολους στόχους παρατήρησης ακόμη και για τα μεγαλύτερα τηλεσκόπια. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο το ρεκόρ των 1,55 redshift διατηρείται εδώ και πολύ καιρό.
Αλλά αυτή η πρόκληση δεν σταμάτησε τους ερευνητές. Λήφθηκαν βαθιά οπτική φασματοσκοπία με το όργανο FORS2 πολλαπλών τρόπων λειτουργίας στο VLT για ένα δείγμα 546 εξασθενημένων αντικειμένων που βρέθηκαν σε μια περιοχή ουρανού 52 τόξων (ή περίπου το ένα δέκατο της περιοχής της Πανσέληνου) γνωστή ως πεδίο K20, και που επικαλύπτει εν μέρει με την περιοχή ΕΜΠΟΡΕΥΜΑΤΑ-Νότου Η επιμονή τους απέδωσε και ανταμείφθηκαν από την ανακάλυψη τεσσάρων παλαιών, τεράστιων γαλαξιών με ερυθρές μετακινήσεις μεταξύ 1,6 και 1,9. Αυτοί οι γαλαξίες παρατηρούνται όταν το Σύμπαν ήταν περίπου το 25% της σημερινής του ηλικίας των 13.700 εκατομμυρίων ετών.
Για έναν από τους γαλαξίες, η ομάδα K20 επωφελήθηκε επίσης από τη βάση δεδομένων των διαθέσιμων στο κοινό φασμάτων στην περιοχή GOODS-South που έλαβε η ομάδα ESO / GOODS.
Ένας νέος πληθυσμός γαλαξιών
Οι νέοι γαλαξίες που ανακαλύφθηκαν φαίνονται έτσι όταν το Σύμπαν ήταν περίπου 3.500 εκατομμύρια χρόνια, δηλαδή 10.000 εκατομμύρια χρόνια πριν. Αλλά από τα φάσματα που λαμβάνονται, φαίνεται ότι αυτοί οι γαλαξίες περιέχουν αστέρια ηλικίας μεταξύ 1.000 και 2.000 εκατομμυρίων ετών. Αυτό σημαίνει ότι οι γαλαξίες πρέπει να έχουν σχηματιστεί αναλόγως νωρίτερα και ότι πρέπει ουσιαστικά να έχουν ολοκληρώσει τη συναρμολόγηση τους σε μια στιγμή που το Σύμπαν ήταν μόλις 1.500 έως 2.500 εκατομμύρια χρόνια.
Οι γαλαξίες φαίνεται να έχουν μάζες άνω των εκατό χιλιάδων ηλιακών μαζών και επομένως έχουν μεγέθη παρόμοια με τους πιο μαζικούς γαλαξίες στο σημερινό Σύμπαν. Συμπληρωματικές εικόνες που ελήφθησαν μέσα από την έρευνα GOODS («The Great Observatories Origins Deep Survey») από το Διαστημικό Τηλεσκόπιο Hubble δείχνουν ότι αυτοί οι γαλαξίες έχουν δομές και σχήματα λίγο πολύ πανομοιότυπα με αυτά των σημερινών μαζικών ελλειπτικών γαλαξιών.
Οι νέες παρατηρήσεις αποκάλυψαν επομένως έναν νέο πληθυσμό πολύ παλιών και μαζικών γαλαξιών.
Η ύπαρξη τέτοιων μαζικών και παλαιών σφαιροειδών γαλαξιών στην αρχή του Σύμπαντος δείχνει ότι η συγκρότηση των σημερινών μαζικών ελλειπτικών γαλαξιών ξεκίνησε πολύ νωρίτερα και ήταν πολύ ταχύτερη από ό, τι είχε προβλεφθεί από την ιεραρχική θεωρία συγχώνευσης. Λέει ο Andrea Cimatti (INAF, Firenze, Ιταλία), επικεφαλής της ομάδας: «Η νέα μας μελέτη θέτει τώρα θεμελιώδη ερωτήματα σχετικά με την κατανόηση και τη γνώση μας για τις διαδικασίες που διέπουν τη γένεση και την εξελικτική ιστορία του Σύμπαντος και των δομών του».
Πρωτότυπη πηγή: Δελτίο ειδήσεων ESO
