En titt ut i verdensrommet avslører grovt sagt to ulike typer galakser:

• Flate spiralgalakser som Melkeveien, der stjernene beveger seg rundt i samme retning.
• Større og tyngre såkalte elliptiske galakser som er formet som gigantiske, diffuse poteter, og der stjernene har mange forskjellige baner.

Ved hjelp av teleskoper og datasimuleringer forsøker astronomene å finne ut hvordan de to typene av galakser har utviklet seg gjennom universets historie.

Og noen ganger er ikke ting helt som de trodde.

– Vi har sett nærmere på en av forfedrene til de elliptiske galaksene og fått et ganske overraskende resultat, sier Sune Toft.

Han er førsteamanuensis ved Niels Bohr Institutet ved Københavns Universitet og hovedforskeren bak en ny artikkel i det tidsskriftet Nature.

En merkelig mellomting

Astrofysikerne fant nemlig ut at de elliptiske galaksene kanskje ikke var elliptiske fra starten. I hvert fall var den tidlige, tunge galakse MACS2129-1, som forskerne zoomet inn på, både flat og raskt roterende, og det var helt uventet.

Den ligner på dagens ellipsegalakser, bare mer kompakt. Den var tung og død, som elliptiske galakser er. Astronomene kaller en galakse død når den har kommet over den fruktbare alderen, altså når det ikke lenger dannes nye stjerner i den.

– Det er veldig interessant at det er så mye rotasjon i den. For det er jo store elliptiske galakser som kommer ut av det, og de roterer stort sett ikke, sier Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen, som er seniorforsker ved Institut for Rumforskning og teknologi ved Danmarks Tekniske Universitet (DTU Space).

Han har ikke vært involvert i forskningen selv, men har lest den vitenskapelige artikkelen.

I spiralgalakser som Melkeveien – skiveformede galakser med massevis av gass – dannes det fortsatt stjerner. De store, tunge, elliptiske galakser er derimot for lengst ferdige med å danne stjerner. De har bare gamle, røde stjerner i seg, og stjernene beveger seg tilfeldig rundt i galaksen.

Men den tidlige, døde galaksen var altså ikke bare en kompakt kopi av de senere ellipsegalaksene. Den hadde fellestrekk både med spiralgalakser og elliptiske galakser.

• Les også: Astrofysikk er faget for de store oppdagelsene

To superteleskoper kom i bruk

– Vi antok at stjernene i de tidlige, massive galakser var fordelt som i de elliptiske galaksene som de blir til. Men nå har vi klart å undersøke en slik galakse med observasjoner, forteller Sune Toft.

– Ved hjelp av romteleskopet Hubble så vi at stjernene var fordelt i en flat skive, og med Very Large Telescope i Chile kunne vi måle at stjernene i den ene siden av galaksen er på vei vekk fra oss, og i den andre siden er de på vei mot oss.

• Les mer om da vår journalist Arnfinn Christensen besøkte observatoriene i Chile

– Det innebærer at galaksen roterer som en raskt roterende spiralgalakse. Vi hadde forventet at stjernene ville bevege seg rundt uten orden, som vi ser de i de elliptiske galaksene i det lokale universet.

Naturens eget forstørrelsesglass

Når man studerer fjerne himmellegemer, ser man samtidig tilbake i tiden, fordi lyset har en endelig fart. Forskerne så galaksen som den så ut tre milliarder år etter big bang, og den gang var den altså både tung og død og flat og roterende.

Galaksen MACS2129-1 er så langt unna at den under normale omstendigheter bare ville ligne en stjerne sett her fra jorden – selv i de største teleskopene. Da ville den være vanskelig å lære mer om.

Men astronomene fikk hjelp fra naturens eget forstørrelsesglass, nemlig en gravitasjonslinse.

En stor galaksehop mellom den fjerne galaksen og jorden bøyer av og fokuserer lyset fra MACS2129-1, slik at den ser større ut og lyser nesten fem ganger sterkere enn den ellers ville gjøre. Bare derfor var det mulig å studere den nærmere.

• Les også: Det er bare å pakke romkofferten

Teorier må skrives om

Oppdagelsen er en av de som stiller flere spørsmål enn den besvarer. Hvordan kan en flat, roterende galakse for eksempel utvikle seg til en ellipsegalakse?

Kanskje går rotasjonen tapt når den tunge, skiveformede galaksen smelter sammen med mange mindre galakser som kommer fra alle mulige retninger.

Eller så er det sammenstøtet mellom to tunge galakser som får strukturen til å forsvinne – det anser Sune Toft som mer sannsynlig.

Hvor kom de fra?

Et annet spørsmål er hvordan de tunge, døde galaksene ble dannet.

Astronomene kan se at det tidlig i universets historie, allerede et par milliarder år etter big bang, var mange veldig massive og kompakte døde galakser. Men hvorfor sluttet de å danne stjerner så tidlig – i et veldig tett univers fylt med gass?

– Den fremherskende teorien har vært at spiralgalakser har kollidert tidlig i universets historie, og så har gassen i galaksene – drivstoffet til stjernedannelser – blitt presset inn i kollisjonens sentrum, der det raskt har blitt konvertert til en masse stjerner, og da var det ikke gass til nye stjerner, mener Toft.

– Det kan forklare hvordan de veldig kompakte, døde galaksene ble til. Med ved kollisjonen ville vi få en kule av stjerner med tilfeldige hastigheter. Det passer ikke med de nye observasjonene. Her har vi i stedet en veldig kompakt skive som roterer veldig raskt. Det kan vi ikke få med en kollisjon, og det må ha vært noe annet som har fått galaksen til å slutte å danne stjerner.

• Les også: Nye gravitasjonsbølger kaster lys over sorte hull

Flere observasjoner må til

Det hører med til historien at dette er en få tidlige, massive galakser det har vært mulig å måle. Det er mulig at den er representativ for veldig mange massive galakser i det tidlige universet, men den kan også være helt spesiell.

– Det er vanskelig når det bare er en enkelt observasjon. Vi vet ikke om det er en ekstraordinær galakse. Vi skal ha flere observasjoner for å finne ut hva som skjer, sier Hans Ulrik Nørgaard-Nielsen.

– Vi må finne flere objekter og finne ut hvordan modellene for galaksenes dannelse og utvikling kan endres for å få dem til å passe.

Det er Sune Toft i gang med, forteller han:

– Vi er i gang med et stort program der vi forsøker å finne flere at disse gravitasjonslinsede galakser. Men det er et sjeldent fenomen, og det tar lang tid. Vi har funnet en håndfull som vi holder på å analysere.

Begge de to astrofysikerne gleder seg til det nye romteleskopet James Webb kommer opp om noen år. Da blir det nemlig mye lettere å få øye på de fjerneste galaksene og finne ut hvordan de oppsto.

Referanse:

Sune Toft m.fl: «A massive, dead disk galaxy in the early Universe». Nature 2017, DOI: doi: 10.1038/nature22388. Sammendrag.