De röda monstergalaxerna som inte borde kunna existera

På juldagen 2021 lyfter en Ariane 5-raket från Guyana Space Center i Franska Guyana. Ombord finns James Webb Space Telescope (JWST). Med en budget som närmar sig tio miljarder dollar är teleskopet det dyraste enskilda föremålet som skickas ut i rymden.

Följande sommar skickar JWST de första bilderna hem till jorden. Samma år utsågs teleskopet till årets största vetenskapliga genombrott av den vetenskapliga tidskriften Science.

Det kraftfulla teleskopet låter oss se galaxer och stjärnor längre ut i rymden än någonsin tidigare, och i rymden betyder längre avstånd att vi ser saker längre tillbaka i tiden. Teleskopet är vårt bästa tillfälle hittills att observera händelser som inträffade i universums barndom.

Redan från början upptäcker världens astronomer något överraskande.

Stjärnor och galaxer började bildas runt 100 till 200 miljoner år efter big bang, när kosmisk gas från den stora expansionen hade börjat svalna och samlas runt gravitationen från stråk av kall mörk materia.

Antagandet har varit att denna process var mycket långsam, och att det tidiga universum därför huvudsakligen bestod av små galaxer. Stora galaxer som vår egen, Vintergatan, tros ha bildats först efter flera miljarder år.

Men James Webb-teleskopets observationer visade ett oväntat stort antal galaxer i det tidiga universum.

– När de första resultaten kom ut talades det om en kris i kosmologin, det fanns så många galaxer att det smittade av på teorier om universum, säger Göran Östlin, som är professor i astronomi vid Stockholms universitet och har varit med och utvecklat en av instrumenten ombord på JWST .

Men efter ett par års observationer krisen tycks avvärjas, den vanliga kosmologiska modellen som förklarar hur universum håller ihop behöver inte skrotas – ännu. Men nya rön har väckt andra frågor om universum.

Som de tre unga rödskimrande “monstergalaxerna” som en forskargrupp presenterade i den vetenskapliga tidskriften Nature i november i år. Redan runt en miljard år efter big bang verkar de vara av samma storleksordning som Vintergatan.

Något som astronomer tidigare trodde var omöjligt.

– Det förvånar mig att de är så stora, det brukar ta tid för galaxer att växa. Det är ett tecken på att galaxbildningen i det tidiga universum var mycket effektivare än vi tidigare trott, säger Göran Östlin.

Men han tillägger att resultaten är fortfarande osäkra. Studien bygger på observationer av 36 tidiga galaxer, varav tre var oväntat stora.

– Det är bara med större datamängder som vi kan säga mer, men det här resultatet verkar ändå trovärdigt, säger Göran Östlin.

Forskargruppen bakom studien uppskattar att dessa monstergalaxer skulle kunna omvandla kosmisk gas till stjärnor två till tre gånger så effektivt som dagens galaxer. Men hur det kommer sig är fortfarande ett mysterium.

– Nästa steg blir att försöka förstå mekanismerna bakom hur galaxerna kan bli så stora så snabbt, säger Kirsten Knudsen som är professor i astronomi på Chalmers.

Hon har inte varit involverad i Nature-studien, men har länge forskat om hur galaxer bildades i det tidiga universum.

– Det är svårt att förutse hur galaxerna såg ut i sin barndom och ungdom, någon gång hoppas jag att vi kan kartlägga hela utvecklingen, säger hon.

Arbetet är komplicerat. Hon jämför att ta reda på hur dagens galaxer såg ut i sin linda med att försöka lista ut hur en bebis ser ut bara genom att titta på vuxna människor. Men genom att kartlägga tillräckligt många unga galaxer är det möjligt att börja bilda sig en uppfattning om hur resan ser ut.

I slutändan hoppas hon att vi kan klargöra hela resan från tidig stjärnbildning till hur våra “fullvuxna” galaxer ser ut idag.

Anledningen till att monstergalaxerna bara är röda på bilden är att de är höljda i kosmiskt damm, rymddamm som består av mikroskopiska partiklar. Dammet påverkar färgen på galaxerna på två sätt.

– Det kosmiska dammet absorberar blått och ultraviolett ljus mer än det fångar rött ljus, säger Kirsten Knudsen.

Dessutom värmer ljuset från stjärnorna upp dammet och skapar en effekt som kan förvränga ljuset på samma sätt som röken från en lägereld på natten, eller smog i en storstad.

– Så dammet döljer mycket av ljuset från stjärnorna, och istället kan vi observera värmestrålningen från dammet. Sammantaget gör det att galaxerna ser väldigt röda ut, säger Kirsten Knudsen.

Hon säger att det är spännande arbeta med att sammanföra hur galaxbildningen såg ut vid universums gryning och hur den förändrades över tiden.

– Vårt kosmiska ursprung är kopplat till dessa tidiga galaxer, det är de som lagt grunden för hur universum ser ut idag. Även om det känns väldigt avlägset så är det de som skapat förutsättningarna för att vi ska kunna finnas, säger Kirsten Knudsen.

Frågan blir närmast filosofisk. Om stjärnbildning generellt sett hade fungerat som den gjorde i de röda monstergalaxerna, hade världen sett radikalt annorlunda ut.

– För det mesta är galaxer ganska ineffektiva på att omvandla råmaterial till stjärnor. Annars hade vi kanske inte funnits idag, om alla galaxer hade tagit slut på allt stjärnbränsle i samma takt hade dagens universum inte haft särskilt mycket aktivitet, säger Göran Östlin.

Vårt eget solsystem är relativt ungt, det bildades för 4-5 miljarder år sedan och om Vintergatan växte i samma takt som monstergalaxerna hade det inte funnits något material kvar då.

– Frågan är nu hur vanligt det var med den här typen av avvikande galaxer, är dessa anomalier eller var det så många att de har påverkat universums övergripande struktur?

Där tror han det James Webb-teleskopet kommer att fortsätta att förse oss med viktiga observationer i decennier framöver.

– Teleskopet är väldigt viktigt, det har fått större genomslag än någon kunde ha trott på så kort tid och har redan ritat om kartan för astronomer, säger Göran Östlin.

Forskargruppen bakom studien planerar nu att använda JWST och Alma-observatoriet i Chile för att lära sig mer om de röda monstren, och se om de kan hitta fler liknande galaxer i det tidiga universum. Vilket kan göra bilden tydlig.

– När vi studerar dessa galaxer mer i detalj kommer de att ge oss nya insikter om de förhållanden som skapade universums tidigaste åldrar. Dessa röda monster är bara början på en ny era av att utforska det tidiga universum, säger studiens huvudförfattare, astronomen Mengyuan Xiao vid Genève, i ett pressmeddelande.

Läs mer:

Teleskopet som utmanar vår syn på hur universum kom till

Rymduppdraget för att rädda jorden från Armageddon

Rymdstationen ISS går ett våldsamt öde till mötes