Astronomové zkoumají záhadu vzniku obřích eliptických galaxií, které již existovaly méně než 1,5 miliardy let po velkém třesku – ve fázi, kdy podle klasických modelů měla převládat mladá a plynná struktura vesmíru. Nová pozorování extrémně aktivní protohvězdokupy SPT2349‑56 pomocí radioteleskopu ALMA ukazují, že ve velmi hustých oblastech mohly galaxie vznikat a růst mnohem rychleji, než se předpokládalo, čímž mohou vysvětlit vznik těchto „zralých“ obrů v raném kosmu.
Po léta žili astronomové s nepříjemným paradoxem: v mladém vesmíru, jen několik miliard let po velkém třesku, již existovaly mohutné eliptické galaxie. Podle klasických modelů měly v těchto raných fázích převládat systémy s mladými hvězdami a hojností chladného plynu, který je základní složkou pro pokračující tvorbu nových hvězd. Pozorování však v mnoha případech ukazují pravý opak: stárnoucí hvězdné populace a málo dostupného plynu. Nevyhnutelně se nabízí otázka: Jak je možné, že jich tak rychle a tolik přibylo?
V posledních letech dalekohledy, jako je Hubbleův teleskop a v poslední době i vesmírný teleskop Jamese Webba (JWST), hromadí důkazy o tom, že raný vesmír byl mnohem „zralejší“, než předpovídaly modely. Byly objeveny masivní a překvapivě vyvinuté galaxie v době, kdy byl vesmír starý méně než 1,5 miliardy let, což nás nutí přehodnotit rychlost, jakou se formují první vesmírné struktury.
Mezinárodní tým vedený Nikolausem Sulzenauerem z Max Planck Institute for Radio Astronomy (MPIfR) učinil důležitý krok k zúžení odpovědi. S využitím dat z radioteleskopu ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) podrobně prozkoumali jednu z nejpozoruhodnějších známých koncentrací galaxií v raném vesmíru a své výsledky publikovali v časopise The Astrophysical Journal.
Práce se zaměřuje na klíčový typ objektů pro pochopení vzniku vesmírných obrů: protokupy galaxií, obrovská „ohniska“, kde se extrémním způsobem hromadí hmota a urychluje všechny růstové procesy. Co se děje v těchto prostředích, naznačují nová data, může vysvětlit, jak některé galaxie dosáhly dospělosti ve vesmíru, který byl ještě v pubertě.
Dospělé galaxie v dospívajícím vesmíru
V kosmologii se obecně předpokládá, že galaxie rostou hierarchickým způsobem: malé části jsou gravitací přitahovány k sobě a nakonec vytvoří větší struktury. Tato představa odpovídá vesmíru, který má na vybudování svých obrů přibližně 13,8 miliardy let. Obří eliptické galaxie objevené velmi brzy však naznačují, že přinejmenším v některých případech mohl být příběh jiný.
Mohutné eliptické galaxie, které dnes pozorujeme v kupách galaxií, jsou obvykle tvořeny starými, červenými hvězdami a malým množstvím plynu. Jsou to „zhasnuté“ systémy, kde se téměř nerodí nové hvězdy. Překvapivé je, že galaxie tohoto typu byly nalezeny již v době, kdy byl vesmír starý jen 10-20 % svého současného stáří. To znamená, že většina jejich hvězd musela vzniknout ve velmi krátkém časovém intervalu, řádově za několik set milionů let.
Hypotéza, která díky této práci nabývá na síle, předkládá náhlejší scénář: některé masivní eliptické galaxie se mohly sestavit během pouhých několika set milionů let. Tedy ani ne tak pomalým a dlouhodobým růstem, ale rychlou epizodou spojenou s kolapsem obzvláště husté primordiální struktury.
Ve standardním kosmologickém modelu se malé hustotní fluktuace přítomné těsně po velkém třesku postupem času zvětšují působením gravitace, a to především díky temné hmotě, formě neviditelné hmoty, která ve vesmíru převládá. Ve většině oblastí je tento růst pozvolný. V nejhustších oblastech se však tento proces zrychluje: gravitace brzy překoná kosmickou expanzi a hmota se začne velmi efektivně hroutit.
Podle vědců by tyto oblasti s extrémní hustotou přestaly sledovat rozpínání vesmíru velmi brzy (když byl vesmír starý asi 10 % svého současného stáří) a začaly by se rychle koncentrovat a vytvářet protokupy – předchůdce dnešních kup galaxií. Stlačování plynu by přitom vyvolalo velmi intenzivní aktivitu tvorby hvězd, která je tak jasná na vlnových délkách od infračervené až po milimetrovou, že je přístupná, jako je ALMA.
ALMA has revealed how giant elliptical galaxies formed just 1.4 billion years after the Big Bang in the protocluster SPT2349-56! Astronomers observed 40 gas-rich galaxies colliding in a compact core, launching tidal arms at 300 km/s and forming stars at a blistering rate, one… pic.twitter.com/JBaJrPnsTn
— Stephen hawking (@hawking2023) February 11, 2026
Tento scénář také zapadá do dalších nedávných pozorování JWST, která objevila velmi hmotné a svítivé galaxie s vysokým červeným posuvem (tj. v době, kdy byl vesmír velmi mladý), což znovu rozvířilo debatu o tom, zda současné modely vzniku galaxií potřebují zásadní úpravy nebo dokonce nové fyzikální představy.
Pohled na mladý vesmír v „rentgenovém záření“ pro plyn
Ke studiu těchto procesů nestačí pozorovat viditelné světlo hvězd. V raném vesmíru je mnoho nejaktivnějších galaxií zahaleno prachem, který pohlcuje ultrafialové a viditelné světlo nově se rodících hvězd a znovu je vyzařuje v dalekém infračerveném a milimetrovém oboru. Pouhým okem nebo dokonce optickými dalekohledy se mohou jevit jako slabé nebo neviditelné, ale v milimetrových vlnových délkách se stávají skutečnými majáky.
Právě zde vstupuje do hry ALMA, soustava 66 antén instalovaných ve výšce více než 5 000 metrů v poušti Atacama v Chile. ALMA je navržena přesně tak, aby zachytila toto chladné záření mezihvězdného plynu a prachu. Díky svému vysokému rozlišení může mapovat pohyb plynu uvnitř galaxií i mezi nimi a rekonstruovat jejich skládání.
V případě SPT2349-56 dokázala ALMA detekovat nejen hlavní galaxie, ale také velmi slabé plynné struktury, které je spojují, a také takzvaná „slapová ramena“, obrovské chvosty materiálu roztrhané gravitačními interakcemi. Tato pozorování by byla běžnými optickými dalekohledy nemožná.
SPT2349-56: Vroucí protohvězdokupa
Klíčovým objektem studie je SPT2349-56, protohvězdokupa pozorovaná ve stavu 1,4 miliardy let po velkém třesku, která se nachází v jižním souhvězdí Fénixe. Původně byla identifikována dalekohledem SPT (South Pole Telescope) jako velmi jasný zdroj v milimetrovém oboru a pozdější studie odhalily, že se nejedná o jedinou galaxii, ale o kompaktní kupu galaxií s extrémně vysokou hvězdotvorností.
Takové oblasti jsou cenné, protože nám umožňují pozorovat něco, co je velmi obtížné zachytit: první velké vesmírné „uzly“, kde se nakonec zformuje mnoho nejhmotnějších galaxií. Z technického hlediska se SPT2349-56 nachází v červeném posuvu přibližně z ≈ 4,3, což odpovídá stáří vesmíru pouhých 1,4 miliardy let.
V tomto prostředí tým analyzoval chladný plyn a prach v centrální oblasti protohvězdokupy. Vznikl tak obzvláště objevný obraz: čtyři těsně od sebe vzdálené galaxie, které spolu intenzivně interagují, což lze chápat jako ranou fázi velké přestavby.
Rychlost aktivity je mimořádná. V tomto centru, jak zdůrazňují, systém generuje přibližně jednu hvězdu každých 40 minut. Srovnání, které uvádějí, pomáhá tuto skutečnost přiblížit: v Mléčné dráze může trvat celý rok, než se vytvoří tři nebo čtyři hvězdy.
Převedeno do globálních čísel, kombinovaná rychlost tvorby hvězd v galaxiích v SPT2349-56 se odhaduje na několik tisíc hmotností Slunce za rok, zatímco v Mléčné dráze je typická tvorba jedné nebo dvou hmotností Slunce za rok. Jinými slovy, tato protohvězdokupa vytváří hvězdy stokrát nebo dokonce tisíckrát rychleji než naše galaxie.
Pozorování navíc naznačují, že systém obsahuje obrovské množství chladného molekulárního plynu, který je palivem pro tvorbu hvězd. Pokud je tento plyn spotřebováván tak rychle, jak naznačují data, bude epizoda intenzivní tvorby hvězd relativně krátká, ale postačí k vybudování masivní eliptické galaxie v rekordním čase.
Slapová ramena, rázy a uhlík
Interakce nejenže spouštějí zrod hvězd, ale také odebírají materiál. Čtveřice galaxií vyvrhuje obří slapová ramena rychlostí přibližně 300 kilometrů za sekundu. Tyto struktury se rozprostírají na ploše mnohem větší než Mléčná dráha a vynikají v submilimetrových pozorováních.
Když se dvě galaxie k sobě dostatečně přiblíží, jejich gravitační pole se vzájemně deformují. Hvězdy, plyn a prach mohou být doslova „nataženy“ a vyvrženy v podobě ohonů nebo mostů hmoty. Tato slapová ramena jsou jasnou známkou toho, že se systém nachází uprostřed fúze.
Jedním z klíčů k práci je, že tato ramena jasně září díky rázovým vlnám, které excitují atomy ionizovaného uhlíku (CII) a vytvářejí intenzivní signál, který umožňuje přesně měřit pohyb plynu.
Ionizovaný uhlík (CII) vyzařuje velmi charakteristickou čáru v oboru dalekého infračerveného záření na vlnové délce 158 mikrometrů. Pozorováním této čáry posunuté červeně vlivem rozpínání vesmíru může ALMA rekonstruovat, jak se plyn pohybuje: zda se přibližuje, vzdaluje, rotuje nebo je vyvrhován. V případě SPT2349-56 intenzita a rozložení této emise odhalují prudké srážky a proudění plynu, které spojují galaxie navzájem.
Nejpozoruhodnější je, že při sledování stopy těchto úlomků se zdá, že shluky odtrženého materiálu se připojují k řetězci asi 20 dalších galaxií, které se srážejí ve vnějších oblastech kolabující struktury. Podle týmu toto spojení naznačuje společný původ a především to, že se nacházíme na počátku „kaskádovitého“ procesu slučování.
V tomto kontextu nejsou slapová ramena pouhými troskami: fungují jako kanály pro transport plynu směrem do centra protohvězdokupy. Tento nepřetržitý tok pohání jak vznik nových hvězd, tak pravděpodobně i růst supermasivních černých děr v jádrech galaxií, což je další klíčová složka pro pochopení rychlého vývoje těchto systémů.
Jediný obr tam, kde jsou dnes desítky
Studie má jasný výsledek: v jádru protohvězdokupy by se nacházelo asi 40 galaxií bohatých na plyn a mnohé z nich nakonec ztratí svou identitu samostatných systémů, když se spojí. Očekávaným výsledkem je vznik obří eliptické galaxie v překvapivě krátké době: méně než 300 milionů let. Z kosmologického hlediska jde prakticky o okamžik.
Pro představu: 300 milionů let je méně než polovina doby, za kterou Slunce jednou oběhne kolem středu galaxie Mléčná dráha (asi 230 milionů let na jeden oběh). V tomto intervalu by se SPT2349-56 změnila z roje desítek galaxií na jedinou kolosální galaxii v srdci formující se kupy.
Tento názor zapadá do představy, že v nejhustších oblastech raného vesmíru mohl být vývoj některých objektů radikálně rychlejší, než se dosud předpokládalo: velké souběžné splynutí, spousta dostupné hmoty a prostředí, které přeje zrychlenému kolapsu.
Kosmologické počítačové simulace, například z projektů Illustris nebo EAGLE, již naznačily, že nejhmotnější galaxie v dnešních kupách vznikly vícenásobným splynutím v prostředí s vysokou hustotou. Přímé pozorování systému jako SPT2349-56 uprostřed sestavování však poskytuje cenné pozorovací potvrzení tohoto scénáře.
Důsledky pro historii vesmíru
Případ SPT2349-56 není jen exotickou kuriozitou. Má širší důsledky pro naše chápání toho, jak se vesmír vyvíjel:
- Pokud jsou takové rychlé sestavy v nejhustších oblastech relativně časté, mohly by masivní eliptické galaxie vznikat dříve a rychleji, než se dosud předpokládalo.
- Souvislost s dnešními kupami: Kupy galaxií, které vidíme dnes, jako je Coma nebo Virgo, mohly v mládí projít podobnými fázemi extrémní aktivity, ačkoli konečný, „uvolněný“ výsledek vidíme až nyní.
- Souvislost se supermasivními černými dírami: Stejné fúze, které vytvářejí obří galaxie, také podporují pád plynu směrem k jejich středům, což živí černé díry, které mohou velmi rychle růst a stát se jasnými kvazary pozorovanými v raném vesmíru.
- Test kosmologického modelu: Existence takových masivních a raných struktur slouží jako test standardního kosmologického modelu (ΛCDM). Výsledky jsou zatím kompatibilní, ale detaily vzniku a vývoje galaxií je třeba upřesnit.
Současně pozorování masivních galaxií na JWST v ještě ranějším věku (méně než miliarda let po velkém třesku) podněcují intenzivní debatu. Některé studie naznačují, že v těchto epochách může existovat více hmotných galaxií, než se očekává, což by v případě potvrzení vyžadovalo úpravu receptů na tvorbu hvězd a růst struktury v teoretických modelech.
Co bude dál
Práce Sulzenauera a jeho týmu otevírá několik směrů výzkumu. Jedním z nich je hledání dalších protokup podobných SPT2349-56 s cílem zjistit, zda se jedná o výjimečný případ, nebo o relativně běžný jev v raném vesmíru.
Dalším je kombinace pozorování ALMA s pozorováními JWST, který může studovat světlo hvězd a ionizovaný plyn v blízké a střední infračervené oblasti. Obě observatoře společně nabízejí doplňující se pohled: ALMA odhaluje chladný plyn a prach, zatímco JWST ukazuje hvězdné populace a horký plyn. Tato kombinace umožní podrobněji rekonstruovat historii vzniku hvězd a růst černých děr v těchto extrémních prostředích.
Očekává se také, že budoucí numerické simulace s vysokým rozlišením zahrnou případy, jako je SPT2349-56, aby bylo možné otestovat, zda modely dokáží reprodukovat nejen celkovou hmotnost systému, ale také detailní rozložení galaxií, slapových ramen a plynných toků, které jsou pozorovány.
SPT2349-56 funguje jako jakýsi „stroj času“, který nám umožňuje téměř v přímém přenosu sledovat, jak vesmír v mžiku oka vybudoval některé ze svých nejkolosálnějších struktur. To, co se dnes jeví jako chaotický roj srážejících se galaxií, bude o miliardy let později obří eliptická galaxie v srdci kupy, zjevně klidná a zestárlá. Za tímto klidem se však skrývá příběh gravitačního násilí a zrychleného růstu, který teprve začínáme odhalovat.