«Уэбб» обнаружил: галактики умирают раньше

Три спектра, полученные JWST/NIRSpec. Рекордная галактика показана в центре. Автор: NASA/CSA/ESA, A. Weibel, PA Oesch (University of Geneva), RUBIES team: A. de Graaff (MPIA Heidelberg), G. Brammer (Niels Bohr Institute), DAWN JWST Archive

Международная группа под руководством UNIGE показывает, что красные и мертвые галактики можно обнаружить всего через 700 миллионов лет после Большого взрыва, что свидетельствует о том, что галактики прекращают формировать звезды раньше, чем предсказывают модели.

Долгое время ученые считали, что в очень ранней Вселенной можно наблюдать только активно формирующиеся галактики. Космический телескоп Джеймса Уэбба теперь показывает, что галактики перестали формировать звезды раньше, чем ожидалось.

Недавнее открытие международной группы под руководством астрономов из Женевского университета (UNIGE) усиливает напряженность между теоретическими моделями космической эволюции и фактическими наблюдениями. Среди сотен спектров, полученных с помощью программы Вебба RUBIES, группа обнаружила рекордную галактику, которая уже прекратила формировать звезды в эпоху, когда галактики обычно растут очень быстро. Исследование опубликовано в The Astrophysical Journal.

В ранней Вселенной типичная галактика аккрецирует газ из окружающей межгалактической среды и превращает этот газ в звезды. Этот процесс увеличивает ее массу, что приводит к еще более эффективной аккреции газа и ускоренному звездообразованию. Однако галактики не растут бесконечно из-за процесса, который астрономы называют «закалкой».

В локальной вселенной около половины наблюдаемых галактик перестали формировать звезды — они погасли и перестали расти. Астрономы называют их покоящимися, погасшими или «красными и мертвыми» галактиками. Они кажутся красными, потому что больше не содержат молодых, ярких голубых звезд — остались только старые, меньшие красные звезды.

Особенно высокая доля спокойных галактик обнаружена среди массивных галактик, которые часто наблюдаются с эллиптическими морфологиями. Обычно требуется много времени, чтобы сформировать такие красные и мертвые галактики, поскольку они должны сначала создать большое количество звезд, прежде чем процесс звездообразования окончательно прекратится. До сих пор остается большой загадкой, что на самом деле вызывает закалку в галактиках.

«Нахождение первых примеров массивных спокойных галактик (MQG) в ранней Вселенной имеет решающее значение, поскольку проливает свет на возможные механизмы их формирования», — говорит Паскаль Эш, доцент кафедры астрономии факультета естественных наук UNIGE и соавтор статьи. Таким образом, охота за такими системами была главной целью астрономов в течение многих лет.

Наблюдения, противоречащие теоретическим ожиданиям

С развитием технологий, особенно ближней инфракрасной спектроскопии, астрономы подтвердили существование массивных спокойных галактик (MQG) во все более ранние космические времена. Их предполагаемое изобилие было сложно согласовать с теоретическими моделями формирования галактик, которые предсказывают, что такие системы должны формироваться дольше.

С космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST) это напряжение было сдвинуто до красного смещения 5 (1,2 миллиарда лет после Большого взрыва), где в последние годы было подтверждено несколько MQG. Новое исследование, проведенное UNIGE, показывает, что эти галактики образовались даже раньше и быстрее, чем считалось ранее.

В рамках второго цикла JWST широкомасштабная программа RUBIES (Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey), одна из крупнейших европейских программ по исследованию внегалактического пространства с использованием инструмента NIRSpec, провела спектроскопические наблюдения нескольких тысяч галактик, включая сотни недавно открытых источников на основе ранних данных изображений JWST.

Рекордсмен среди «мертвых» галактик

Среди этих новых спектров ученые определили самый далекий MQG, обнаруженный на сегодняшний день, со спектроскопическим красным смещением 7,29, всего через ~700 миллионов лет после Большого взрыва. Спектр NIRSpec/PRISM показывает удивительно старую звездную популяцию в такой молодой Вселенной. Детальное моделирование спектра и данные визуализации показывают, что галактика сформировала звездную массу более 10 миллиардов солнечных масс в течение первых 600 миллионов лет после Большого взрыва, прежде чем быстро прекратить звездообразование, тем самым подтверждая ее неподвижную природу.

«Открытие этой галактики, названной RUBIES-UDS-QG-z7, означает, что массивные спокойные галактики в первый миллиард лет существования Вселенной были более чем в 100 раз более многочисленны, чем предсказывала любая модель на сегодняшний день», — говорит Андреа Вайбель, аспирант кафедры астрономии факультета естественных наук UNIGE и первый автор статьи.

Это, в свою очередь, предполагает, что ключевые факторы в теоретических моделях (например, эффекты звездных ветров и сила оттоков, вызванных звездообразованием и массивными черными дырами), возможно, должны быть пересмотрены. Галактики умирали гораздо раньше, чем эти модели могут предсказать.

Взгляд на ядра гигантских галактик

Наконец, небольшой физический размер RUBIES-UDS-QG-z7, измеренный всего в ~650 световых лет, подразумевает высокую плотность звездной массы, сравнимую с самыми высокими центральными плотностями, наблюдаемыми в спокойных галактиках при немного меньших красных смещениях (z ~2–5). Эти галактики, вероятно, эволюционируют в ядра старейших и самых массивных эллиптических галактик в локальной вселенной.

«Открытие RUBIES-UDS-QG-z7 дает первое убедительное доказательство того, что центры некоторых близлежащих массивных эллиптических галактик могли существовать уже с первых нескольких сотен миллионов лет существования Вселенной», — заключает Анна де Граафф, главный исследователь программы RUBIES, научный сотрудник Института астрономии Общества Макса Планка в Гейдельберге и второй автор статьи.

Больше информации: Andrea Weibel et al, RUBIES Reveals a Massive Quiescent Galaxy at z = 7.3, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/adab7a

Источник: University of Geneva