Симуляции показали совместную эволюцию карликовых галактик и их газовой среды

На схеме показаны области, занимаемые карликовой галактикой, циркумгалактической средой (CGM) и межгалактической средой (IGM). Внутренняя область галактики (0–0,2 радиуса гало) выделена синим, промежуточная кольцевая зона (0,2–1 радиус гало) — розовым, а внешняя область (свыше 1 радиуса гало) соответствует IGM. Белые стрелки иллюстрируют барионный цикл галактики, включая приток из IGM, отток из CGM и рециркуляцию газа в CGM. Автор: ASIAA/Пэй-Чэн Тун

Несмотря на свои скромные размеры, карликовые галактики играют ключевую роль в космической эволюции, выступая «строительными блоками» крупномасштабной структуры Вселенной. Эти миниатюрные системы также являются предшественниками таких гигантов, как наш Млечный Путь.

Карликовые галактики не только служат материалом для формирования массивных галактик, но и могут хранить секреты рождения первых звёзд и чёрных дыр. Однако из-за низкой массы, слабого гравитационного потенциала и сложного взаимодействия с газом их эволюция долгое время оставалась загадкой.

Исследователи Пэй-Чэн Тун и Кэ-Цзюн Чэнь из Академии Синика (Тайвань) разработали революционную космологическую симуляцию. Впервые с рекордным пространственным и массовым разрешением они изучили совместную эволюцию карликовых галактик и их циркумгалактической среды (CGM). Результаты опубликованы в Astrophysical Journal.

Технологический прорыв

Используя симуляцию IllustrisTNG как основу, учёные применили код GIZMO с техникой «разделения частиц», увеличив разрешение моделирования отдельной галактики в 100 раз. Это позволило детально изучить многофазную газовую структуру и перенос металлов. Работа выполнена на суперкомпьютерах Национального центра энергетических исследований (NERSC).

Распределение температуры газа в гало на красных смещениях 0 (слева), 1 (центр) и 2 (справа). Фон отражает плотность газа. Цветовая шкала: ниже 300 K (синий), 300–10 000 K (голубой), 10 000–100 000 K (фиолетовый), 100 000–1 000 000 K (жёлтый), свыше 1 000 000 K (красный). Пятнистая структура демонстрирует сложную многофазную природу CGM. Автор: ASIAA/Пэй-Чэн Тун

Симуляции показали, что звездообразование в карликовых галактиках на 40–70% зависит от притока холодного газа из CGM. Почти половина этого газа — результат рециркуляции, что подтверждает концепцию галактики как части газовой «экосистемы». Также отслежено, как металлы, выбрасываемые звёздами, переносятся галактическими ветрами в CGM, охлаждаются и возвращаются, влияя на будущее звездообразование.

Особый интерес представляет открытие: даже в ранней Вселенной чёрные дыры в центрах карликовых галактик демонстрировали интенсивную прерывистую аккрецию. Это согласуется с гипотезой о том, что такие галактики могли быть «колыбелью» сверхмассивных чёрных дыр, и подтверждается данными телескопа Джеймса Уэбба.

Распределение металличности газа в гало на красных смещениях 0 (слева), 1 (центр) и 2 (справа). На z=2 металлы распределены шире. Автор: ASIAA/Пэй-Чэн Тун

Перспективы для науки

Исследование задаёт новые стандарты для моделей эволюции карликовых галактик и даёт проверяемые прогнозы для JWST, ALMA и будущего телескопа Нэнси Грейс Роман. Среди них — распределение температуры и металлов в CGM, влияние аккреции чёрных дыр на светимость галактик и временные масштабы рециркуляции металлов.

Доктор Кэ-Цзюн Чэнь отметил: «Теперь симуляции достигли точности, достаточной для сопоставления с наблюдениями. Комбинируя их, мы приближаемся к ответам на ключевые вопросы: как формировались первые галактики и как росли первые чёрные дыры».

Дополнительно: Pei-Cheng Tung et al, Coevolution of Dwarf Galaxies and Their Circumgalactic Medium Across Cosmic Time, The Astrophysical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-4357/ade1d4