Gli astronomi si aspettano che le prime galassie, quelli che si sono formati solo poche centinaia di milioni di anni dopo il Big Bang, condividerebbe molte somiglianze con alcune delle galassie nane che vediamo oggi nell'universo vicino. Questi primi agglomerati di pochi miliardi di stelle sarebbero poi diventati gli elementi costitutivi delle galassie più grandi che arrivarono a dominare l'universo dopo i primi miliardi di anni.

Osservazioni in corso con l'Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), però, hanno scoperto esempi sorprendenti di massicci, galassie piene di stelle viste quando il cosmo aveva meno di un miliardo di anni. Ciò suggerisce che gli elementi costitutivi galattici più piccoli sono stati in grado di assemblarsi in grandi galassie abbastanza rapidamente.

Le ultime osservazioni di ALMA respingono ulteriormente questa epoca di formazione di galassie massicce identificando due galassie giganti viste quando l'universo aveva solo 780 milioni di anni, o circa il 5 per cento della sua età attuale. ALMA ha anche rivelato che queste galassie insolitamente grandi sono annidate all'interno di una struttura cosmica ancora più massiccia, un alone di materia oscura diverse trilioni di volte più massiccio del sole.

Le due galassie sono così vicine - meno della distanza dalla Terra al centro della nostra galassia - che presto si fonderanno per formare la più grande galassia mai osservata in quel periodo nella storia cosmica. Questa scoperta fornisce nuovi dettagli sull'emergere di grandi galassie e sul ruolo che la materia oscura svolge nell'assemblare le strutture più massicce dell'universo.

I ricercatori riportano i loro risultati sulla rivista Natura .

"Con queste squisite osservazioni di ALMA, gli astronomi stanno vedendo la galassia più massiccia conosciuta nel primo miliardo di anni dell'universo nel processo di assemblaggio, " ha detto Dan Marrone, professore associato di astronomia presso l'Università dell'Arizona a Tucson e autore principale dell'articolo.

Gli astronomi stanno osservando queste galassie durante un periodo della storia cosmica noto come l'Epoca della Reionizzazione, quando la maggior parte dello spazio intergalattico era soffusa da una nebbia oscura di gas idrogeno freddo. Man mano che si formavano più stelle e galassie, la loro energia alla fine ha ionizzato l'idrogeno tra le galassie, rivelando l'universo come lo vediamo oggi.

"Di solito lo vediamo come il tempo in cui le piccole galassie lavorano duramente per masticare il mezzo intergalattico neutro, "ha detto Marrone. "Montando prove osservative con ALMA, però, ha contribuito a rimodellare quella storia e continua a rimandare il momento in cui le galassie veramente massicce sono emerse per la prima volta nell'universo".

Le galassie che Marrone e il suo team hanno studiato, noti collettivamente come SPT0311-58, sono stati originariamente identificati come un'unica fonte dal South Pole Telescope. Queste prime osservazioni indicavano che questo oggetto era molto distante e brillava brillantemente alla luce infrarossa, il che significa che era estremamente polveroso e probabilmente stava attraversando un'esplosione di formazione stellare. Successive osservazioni con ALMA hanno rivelato la distanza e la duplice natura dell'oggetto, risolvendo chiaramente la coppia di galassie interagenti.

Per fare questa osservazione, ALMA ha avuto l'aiuto di una lente gravitazionale, che ha fornito una spinta osservativa al telescopio. Le lenti gravitazionali si formano quando un oggetto massiccio interposto, come una galassia o un ammasso di galassie, piega la luce delle galassie più lontane. Loro fanno, però, distorcere l'aspetto dell'oggetto in esame, richiedendo modelli informatici sofisticati per ricostruire l'immagine come apparirebbe nel suo stato inalterato.

Questo processo di "de-lensing" ha fornito dettagli intriganti sulle galassie, mostrando che il più grande dei due sta formando stelle con una velocità di 2, 900 masse solari all'anno. Contiene anche circa 270 miliardi di volte la massa del nostro sole in gas e quasi 3 miliardi di volte la massa del nostro sole in polvere. "È un'enorme quantità di polvere, considerando la giovane età del sistema, " ha osservato Justin Spilker, un neolaureato dell'Università dell'Arizona e ora un borsista post-dottorato presso l'Università del Texas ad Austin.

Gli astronomi hanno determinato che la rapida formazione stellare di questa galassia è stata probabilmente innescata da un incontro ravvicinato con la sua compagna leggermente più piccola, che ospita già circa 35 miliardi di masse solari di stelle e sta aumentando il suo tasso di starburst al ritmo vertiginoso di 540 masse solari all'anno.

I ricercatori notano che le galassie di questa era sono "più disordinate" di quelle che vediamo nell'universo vicino. Le loro forme più confuse sarebbero dovute alle vaste riserve di gas che piovono su di loro e alle loro continue interazioni e fusioni con i loro vicini.

Le nuove osservazioni hanno anche permesso ai ricercatori di dedurre la presenza di un alone di materia oscura davvero massiccio che circonda entrambe le galassie. La materia oscura fornisce l'attrazione gravitazionale che fa collassare l'universo in strutture (galassie, gruppi e ammassi di galassie, eccetera.).

"Se vuoi vedere se una galassia ha senso nella nostra attuale comprensione della cosmologia, vuoi guardare l'alone della materia oscura, la struttura collassata della materia oscura, in cui risiede, " ha detto Chris Hayward, ricercatore associato presso il Center for Computational Astrophysics presso il Flatiron Institute di New York City. "Fortunatamente, conosciamo molto bene il rapporto tra materia oscura e materia normale nell'universo, così possiamo stimare quale deve essere la massa dell'alone di materia oscura."

Confrontando i loro calcoli con le attuali previsioni cosmologiche, i ricercatori hanno scoperto che questo alone è uno dei più massicci che dovrebbero esistere in quel momento.

"Ci sono altre galassie scoperte con il South Pole Telescope che stiamo seguendo, " ha detto Joaquin Vieira dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, "e ci sono molti più dati del sondaggio che stiamo appena iniziando ad analizzare. La nostra speranza è di trovare più oggetti come questo, forse anche più distanti, per comprendere meglio questa popolazione di galassie polverose estreme e in particolare la loro relazione con la maggior parte della popolazione di galassie in questa epoca".

"In ogni caso, il nostro prossimo ciclo di osservazioni ALMA dovrebbe aiutarci a capire quanto velocemente queste galassie si sono unite e migliorare la nostra comprensione della formazione massiccia di galassie durante la reionizzazione, "aggiunse Marrone.