«Красные монстры» ранней Вселенной ставят под сомнение модели формирования галактик

Три красных монстра — чрезвычайно массивные и пыльные галактики в первый миллиард лет после Большого взрыва. Автор: NASA/CSA/ESA, M. Xiao & PA Oesch (University of Geneva), G. Brammer (Niels Bohr Institute), Dawn JWST Archive

Международная группа под руководством Женевского университета (UNIGE) обнаружила три сверхмассивные галактики — почти такие же массивные, как Млечный Путь, — которые существовали уже в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва.

Это удивительное открытие стало возможным благодаря программе FRESCO космического телескопа Джеймса Уэбба, которая использует спектрограф NIRCam/grism для точного измерения расстояний и звездных масс галактик. Результаты показывают, что формирование звезд в ранней Вселенной было гораздо более эффективным, чем считалось ранее, что бросает вызов существующим моделям формирования галактик. Исследование опубликовано в журнале Nature.

В теоретической модели, которую поддерживают ученые, галактики формируются постепенно внутри больших гало темной материи. Гало темной материи захватывают газ (атомы и молекулы) в гравитационно связанные структуры. Обычно только около 20% этого газа превращается в звезды в галактиках.

Однако новые открытия ставят под сомнение эту точку зрения. Исследователи показывают, что массивные галактики в ранней Вселенной могли быть гораздо более эффективными в строительстве звезд, чем их более поздние аналоги, и росли гораздо быстрее, чем считалось ранее.

Открытие «красных монстров»

Непревзойденные возможности JWST позволили астрономам систематически изучать галактики в очень далекой и ранней Вселенной, предоставляя информацию о массивных и скрытых пылью галактиках. Анализируя галактики в обзоре FRESCO, ученые обнаружили, что большинство источников соответствуют существующим моделям.

Однако они также обнаружили три удивительно массивные галактики, со звездными массами, сопоставимыми с сегодняшним Млечным Путем. Они формируют звезды почти в два раза эффективнее, чем их менее массивные аналоги и галактики в более позднее время. Из-за высокого содержания пыли, которое придает им отчетливый красный вид на снимках JWST, их назвали тремя «красными монстрами».

«Наши результаты меняют наше понимание формирования галактик в ранней Вселенной», — говорит доктор Мэньюань Сяо, ведущий автор нового исследования и научный сотрудник кафедры астрономии факультета естественных наук UNIGE.

«Массовые свойства этих «красных монстров» едва ли были определены до JWST, поскольку они были оптически невидимы из-за ослабления света пылью», — говорит доктор Дэвид Эльбаз, директор по исследованиям в CEA Paris-Saclay.

Изображения и спектры трех ультрамассивных галактик с ϵ > 0,2 при z ≈ 5– 6. Автор: Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-08094-5

Важный этап в наблюдениях за галактиками

Международная группа разработала новую программу с JWST для систематического анализа полной выборки галактик с эмиссионными линиями в течение первого миллиарда лет космической истории. Этот подход позволил группе достичь точных оценок расстояний и надежных измерений звездной массы для полной выборки галактик.

«Наши результаты подчеркивают замечательную мощь спектроскопии NIRCam/grism», — объясняет Паскаль Ош, доцент кафедры астрономии факультета естественных наук UNIGE, главный исследователь этой программы наблюдений.

«Прибор на борту космического телескопа позволяет нам выявлять и изучать рост галактик с течением времени, а также получать более четкую картину того, как накапливается звездная масса на протяжении космической истории».

«Слишком много, слишком массивных» галактик в ранней Вселенной

Хотя эти результаты не противоречат стандартной космологической модели, они поднимают новые вопросы для теорий формирования галактик, в частности, проблему «слишком большого количества слишком массивных» галактик в ранней Вселенной.

Текущие модели, возможно, должны учитывать уникальные процессы, которые позволили некоторым ранним массивным галактикам достичь такого эффективного звездообразования и, таким образом, сформироваться очень быстро, очень рано во Вселенной. Будущие наблюдения с JWST и Atacama Large Millimeter Array (ALMA) предоставят дальнейшее понимание этих сверхмассивных красных монстров и выявят более крупные образцы таких источников.

«Эти результаты указывают на то, что галактики в ранней Вселенной могли образовывать звезды с неожиданной эффективностью», — заключает доктор Сяо. «По мере того, как мы будем изучать эти галактики более глубоко, они предоставят новые знания об условиях, которые сформировали самые ранние эпохи Вселенной. Красные монстры — это только начало новой эры в наших исследованиях ранней Вселенной».

Больше информации: Mengyuan Xiao, Accelerated formation of ultra-massive galaxies in the first billion years, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-08094-5. www.nature.com/articles/s41586-024-08094-5

Источник: University of Geneva