Har astronomerna haft fel om hur galaxer bildas?

Nyligen publicerade tidskriften Nature en artikel om sex galaxer som tycks vara från bara omkring 600 miljoner år efter att universum blev till. De verkar trots att de är så unga innehålla lika mycket massa som uppemot en miljard solar – inte lika mycket som Vintergatan, men betydligt mer än väntat.

– Om resultatet bekräftas kan det betyda att den nuvarande uppfattningen om hur galaxer bildas inte stämmer, säger Angela Adamo, galaxforskare vid Stockholms universitet, som har läst artikeln.

Ett av de vetenskapliga syftena med James Webb-teleskopet är att utforska hur de första galaxerna bildades och hur de har utvecklats genom tiderna. Så snart teleskopet var redo att användas för vetenskapliga observationer i juli 2022 började astronomer rapportera fynd efter fynd av mycket avlägsnare galaxer än de tidigare hade sett. Eftersom det tagit så lång tid för ljuset att färdas hit betyder det att teleskopet ser dessa galaxer som de såg ut när universum var mycket ungt.

Det blev snabbt uppenbart för forskarna att det tycktes finnas en gåta – galaxerna var större och mer massiva än de borde kunna vara enligt de mest vedertagna modellerna. De sex galaxer som nämns i den nya artikeln är inte de enda.

– Det är en hel del debatt om detta, säger Angela Adamo.

Debatten rör både hur observationerna ska tolkas och vad de eventuellt kan betyda för den gängse uppfattningen om universums struktur och uppbyggnad.

Den vanligaste uppfattningen om hur galaxer bildades är att det först fanns mindre klumpar av materia där stjärnor började uppstå. De drogs till varandra av gravitationen och har stegvis slagits ihop till galaxer. I de gängse modellerna för strukturbildning i universum borde det här inte kunna ske så fort att det hunnit bli vanligt med riktigt stora galaxer redan efter 600 miljoner år.

Kanske måste förståelsen av universums uppbyggnad modifieras. Men först behöver forskarna bekräfta observationen. Frågan är om bedömningen av galaxernas storlek och avstånd stämmer.

Galaxernas avstånd bestäms genom att se hur mycket deras ljus har blivit uttänjt på grund av universums expansion. Effekten kallas för rödförskjutning eftersom tänjningen får alla färger att förskjutas mot den röda änden av ljusets spektrum. De allra mest avlägsna galaxerna går bara att se i infrarött ljus, till exempel med James Webb-teleskopet.

Stjärnorna i en galax strålar i alla våglängder, men korta våglängder absorberas av gas. Det gör att galaxerna är mycket ljussvagare i sådana våglängder. Astronomerna tittar efter sådana brytpunkter som motsvarar de absorberade våglängderna, och använder dem för att avgöra rödförskjutningen och därmed få ett mått på avståndet.

Forskarna bakom studien i Nature beskriver sina galaxer som kandidater, därför att de använt en lite enklare snabbmetod med filter för att se vissa våglängdsband, och inte ett fullständigt spektrum med alla våglängder. För att de ska kunna bekräfta upptäckten behövs en ny mätning som ger ett detaljerat spektrum.

Galaxernas massa, i sin tur, bestäms genom att stoppa in mätpunkterna i modellberäkningar för hur galaxer fungerar. Forskarna har använt flera olika och jämfört dem med varandra.

Forskarna skriver själva i sin artikel att de gjort flera olika antaganden i sina beräkningar, som kan ge systematiska fel både i avstånd och massa. Bland annat bygger modellberäkningarna på observationer av galaxer som ligger betydligt närmare oss, och därför har andra förhållanden än som rådde i det tidiga universum.

Det är till exempel känt att materian i universums barndom var hetare, vilket påverkar massan hos de stjärnor som bildas. Därför kan det behövas lite andra modeller för att förstå de första galaxerna och beräkna deras massor.

Varje observation ger en ny pusselbit till förståelsen.

– Vi är precis i början, det har bara gått ett halvår sedan vi började få data från James Webb-teleskopet. Redan ser vi galaxer som vi inte visste fanns. Vem vet vad som händer de kommande åren, säger Angela Adamo.