یکی از قطعات مهم این معما، ساختارهای کروی موسوم به برآمدگی‌های کهکشانی هستند. کهکشان‌های مارپیچی و بیضوی از نظر ریخت‌شناسی متفاوت‌اند، اما هر دو دارای ساختارهای کروی هستند. اینجا همان جایی است که بیشتر ستاره‌های آن‌ها قرار دارند و در حقیقت محل سکونت بیشتر ستاره‌های جهان است. از آنجا که بیشتر ستاره‌ها در ساختارهای کروی ساکن‌اند، درک این ساختارها برای فهم چگونگی رشد و تکامل کهکشان‌ها حیاتی است.
تحقیقات جدید متمرکز بر ساختارهای کروی، ستاره‌شناسان را بیش از همیشه به درک چگونگی بزرگ‌شدن کهکشان‌ها نزدیک کرده است.
کهکشان‌های بیضوی هیچ مولفه‌ای از صفحه تخت ندارند. آن‌ها صاف و بدون ویژگی بوده و نسبت به کهکشان‌های مارپیچی، گاز و غبار بسیار کمی دارند. بدون گاز و غبار، ستاره‌های جدید به ندرت شکل می‌گیرند، بنابراین کهکشان‌های بیضوی از ستاره‌های قدیمی‌تر پر شده‌اند.
ستاره‌شناسان هنوز نمی‌دانند این کهکشان‌های قدیمی و برجسته چگونه شکل گرفته و تکامل یافته‌اند. بااین‌حال، مقاله جدیدی در نشریه Nature ممکن است سرانجام پاسخی ارائه دهد. این مقاله با عنوان «شکل‌گیری درجا ساختارهای کروی در کهکشان‌های درخشان زیرمیلی‌متری دوردست» منتشر شده و نویسنده اصلی آن چینگ-هوا تان از رصدخانه کوه بنفش، آکادمی علوم چین است. دکتر آناگرازیا پوگلیسی از دانشگاه ساوت‌همپتون نیز از نویسندگان همکار این پژوهش است.
دکتر پوگلیسی اظهار داشت:
«یافته‌های ما ما را به حل یک معمای دیرینه در نجوم نزدیک می‌کند که درک ما از چگونگی شکل‌گیری کهکشان‌ها در جهان اولیه را بازتعریف خواهد کرد.»
تیم بین‌المللی پژوهشگران از آرایه میلی‌متری/زیرمیلی‌متری بزرگ آتاکاما (ALMA) برای بررسی کهکشان‌های بسیار درخشان و ستاره‌ساز در جهان دوردست استفاده کردند. زیرمیلی‌متری به معنای مشاهده انرژی الکترومغناطیسی در محدوده بین فروسرخ دور و امواج مایکروویو است. مدت‌هاست که ستاره‌شناسان مشکوک بودند که این کهکشان‌ها به ساختارهای کروی مرتبط هستند، اما مشاهده آن‌ها دشوار بوده است.
پژوهشگران با استفاده از ALMA بیش از ۱۰۰ کهکشان قدیمی را با تکنیک جدیدی که توزیع نور آن‌ها را اندازه‌گیری می‌کند، تحلیل کردند. این پروفایل‌های درخشندگی نشان می‌دهد که بیشتر این کهکشان‌ها دارای شکل‌های سه‌محوری هستند و نه دیسک‌های تخت. این مسئله نشان می‌دهد که در تاریخچه آن‌ها اتفاقی رخ داده که موجب تغییر شکل آن‌ها شده است.
دو مفهوم مهم نتایج تیم پژوهشی را پشتیبانی می‌کنند: شاخص سرسیک و شاخص اسپرگل.
- شاخص سرسیک یک مفهوم بنیادی در توصیف پروفایل‌های درخشندگی کهکشان‌ها است و توزیع شعاعی نور در کهکشان‌ها را توصیف می‌کند.
- شاخص اسپرگل کمتر استفاده می‌شود و بر توزیع ماده تاریک در کهکشان‌ها متمرکز است. این شاخص به‌جای نور، به توزیع ماده کمک می‌کند.
این شاخص‌ها به همراه مشاهدات ALMA منجر به درک جدیدی در مورد چگونگی شکل‌گیری ساختارهای کروی از طریق برخورد کهکشان‌ها و ورود گاز سرد ستاره‌ساز به مرکز کهکشانی شدند.
اعتبار تصویر: ناسا / بویت و همکاران.
دکتر پوگلیسی توضیح داد:
«دو کهکشان دیسکی که با یکدیگر برخورد می‌کنند، باعث می‌شوند که گاز — سوخت تشکیل ستاره‌ها — به سمت مرکز کهکشانی سرازیر شود و تریلیون‌ها ستاره جدید ایجاد کند. این برخوردهای کیهانی حدود ۸ تا ۱۲ میلیارد سال پیش رخ داده‌اند، زمانی که جهان در مرحله بسیار فعال‌تری از تکامل خود قرار داشت.»
«این اولین شواهد واقعی است که نشان می‌دهد ساختارهای کروی به‌طور مستقیم از طریق دوره‌های شدید شکل‌گیری ستاره‌ها در هسته‌های کهکشان‌های دوردست ایجاد می‌شوند.»
«این کهکشان‌ها سریع تشکیل می‌شوند — گاز به سمت داخل مکیده می‌شود تا سیاهچاله‌ها را تغذیه کند و منجر به انفجارهای ستاره‌ای می‌شود که با نرخ‌هایی ۱۰ تا ۱۰۰ برابر سریع‌تر از کهکشان راه شیری ما رخ می‌دهد.»
پژوهشگران مشاهدات خود را با شبیه‌سازی‌های هیدرودینامیکی برخورد کهکشان‌ها مقایسه کردند. نتایج نشان داد که ساختارهای کروی می‌توانند شکل خود را تا حدود ۵۰ میلیون سال پس از برخورد حفظ کنند. پس از این دوره شدید شکل‌گیری ستاره در ساختار کروی، گاز مصرف می‌شود و فعالیت‌ها فروکش می‌کنند. در این مرحله، گاز باقی‌مانده به‌طور تدریجی به یک دیسک تبدیل می‌شود.
اعتبار تصویر: Tan و همکاران، ۲۰۲۴.
این نوع کهکشان‌ها در جهان اولیه بسیار فراوان‌تر از زمان حال بودند. نتایج پژوهش نشان می‌دهد که این کهکشان‌ها سوخت خود را به‌سرعت مصرف کرده و ساختارهای کروی را ایجاد کردند که اکنون از ستاره‌های قدیمی پر شده‌اند.
دکتر پوگلیسی در پایان گفت:
«اخترفیزیک‌دانان برای دهه‌ها تلاش کرده‌اند این فرآیند را درک کنند. یافته‌های ما، ما را به حل یک معمای دیرینه در نجوم نزدیک می‌کند.»
«این تحقیق تصویر کامل‌تری از شکل‌گیری کهکشان‌های اولیه به ما می‌دهد و درک ما از چگونگی تکامل جهان از ابتدای زمان را عمیق‌تر می‌کند.»
