Рост галактик «изнутри наружу» наблюдался в ранней Вселенной

Астрономы использовали космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST) NASA/ESA для наблюдения за ростом галактики «изнутри наружу» в ранней Вселенной, всего через 700 миллионов лет после Большого взрыва. Автор: JADES Collaboration

Эта галактика в сто раз меньше Млечного Пути, но она удивительно зрелая для столь раннего периода во Вселенной. Как большой город, эта галактика имеет плотное скопление звезд в своем ядре, но становится менее плотной в галактических «пригородах». И как большой город, эта галактика начинает расползаться, причем звездообразование ускоряется на окраинах.

Это самое раннее обнаружение роста галактик изнутри наружу. До Уэбба не было возможности изучать рост галактик на столь раннем этапе истории Вселенной.

Хотя изображения, полученные с помощью Уэбба, представляют собой моментальный снимок во времени, исследователи во главе с Кембриджским университетом говорят, что изучение подобных галактик может помочь нам понять, как они трансформируются из облаков газа в сложные структуры, которые мы наблюдаем сегодня. Результаты опубликованы в журнале Nature Astronomy.

«Вопрос о том, как эволюционируют галактики с течением космического времени, является важным в астрофизике», — сказал соавтор исследования доктор Сандро Такчелла из Кавендишской лаборатории Кембриджа.

«У нас было множество превосходных данных за последние десять миллионов лет и по галактикам в нашем уголке Вселенной, но теперь с Уэббом мы можем получить данные наблюдений за миллиарды лет назад, исследуя первый миллиард лет космической истории, что открывает множество новых вопросов».

Галактики, которые мы наблюдаем сегодня, растут посредством двух основных механизмов: либо они втягивают или аккрецируют газ, образуя новые звезды, либо они растут, сливаясь с меньшими галактиками. Работали ли другие механизмы в ранней Вселенной — открытый вопрос, на который астрономы надеются ответить с помощью Уэбба.

«Можно ожидать, что галактики изначально будут маленькими, поскольку газовые облака будут разрушаться под действием собственной гравитации, образуя очень плотные ядра звезд и, возможно, черных дыр», — сказал Такчелла.

«По мере того, как галактика растет и звездообразование усиливается, это похоже на вращающегося фигуриста: по мере того, как фигурист прижимает руки, они набирают импульс и вращаются все быстрее и быстрее. Галактики в чем-то похожи, в них позже аккумулируется газ со все больших и больших расстояний, раскручивая галактику, поэтому они часто принимают спиральную или дисковую форму».

Галактика NGC 1549, увиденная через 700 миллионов лет после Большого взрыва. Автор: JADES Collaboration

Эта галактика, наблюдаемая в рамках сотрудничества JADES (JWST Advanced Extragalactic Survey), активно формирует звезды в ранней Вселенной. Она имеет очень плотное ядро, которое, несмотря на свой относительно молодой возраст, имеет плотность, схожую с плотностью современных массивных эллиптических галактик, в которых в 1000 раз больше звезд. Большая часть звездообразования происходит дальше от ядра, а звездообразующий «комок» находится еще дальше.

Активность звездообразования резко возрастает по направлению к окраинам, поскольку звездообразование расширяется, а галактика увеличивается в размерах. Этот тип роста был предсказан теоретическими моделями, но с Уэббом теперь его можно наблюдать.

«Одна из многих причин, по которой Уэбб так преобразует нас как астрономов, заключается в том, что теперь мы можем наблюдать то, что ранее было предсказано с помощью моделирования», — сказал соавтор Уильям Бейкер, аспирант Кавендишского университета. «Это как возможность проверить свою домашнюю работу».

Используя Уэбб, исследователи извлекли информацию из света, излучаемого галактикой на разных длинах волн, которую затем использовали для оценки количества молодых звезд по сравнению со старыми звездами, что затем преобразовывалось в оценку звездной массы и скорости звездообразования.

Поскольку галактика настолько компактна, отдельные изображения галактики были «смоделированы вперед», чтобы учесть инструментальные эффекты. Используя моделирование звездной популяции, которое включает предписания для газовой эмиссии и поглощения пыли, исследователи обнаружили более старые звезды в ядре, в то время как окружающий компонент диска претерпевает очень активное звездообразование.

Эта галактика удваивает свою звездную массу на окраинах примерно каждые 10 миллионов лет, что происходит очень быстро: галактика Млечный Путь удваивает свою массу всего лишь каждые 10 миллиардов лет.

Плотность ядра галактики, а также высокая скорость звездообразования позволяют предположить, что эта молодая галактика богата газом, необходимым для формирования новых звезд, что может отражать различные условия в ранней Вселенной.

«Конечно, это всего лишь одна галактика, поэтому нам нужно знать, что делали другие галактики в то время», — сказал Такчелла.

«Все ли галактики были похожи на эту? Сейчас мы анализируем похожие данные из других галактик. Рассматривая разные галактики в космическом времени, мы, возможно, сможем реконструировать цикл роста и продемонстрировать, как галактики растут до своих конечных размеров сегодня».

Больше информации: A core in a star-forming disc as evidence of inside-out growth in the early Universe, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02384-8

Источник: University of Cambridge