У ранньому Всесвіті знайдено галактику з надмасивною перемичкою й надшвидким зореутворенням

Спостерігаючи за масивною й надзвичайно активною спіральною галактикою у ранньому Всесвіті за допомогою телескопів ALMA та "Джеймс Вебб", дослідники виявили, що ця галактика-монстр має важливі схожості та відмінності порівняно із сучасними галактиками.

Це відкриття покращує наше розуміння того, як зростають та еволюціонують спіральні галактики з перемичками, такі як наша галактика Чумацький Шлях, про що розповідається на японському сайті обсерваторії ALMA ("Атакамська велика міліметрова/субміліметрова решітка").

У ранньому Всесвіті понад 10 мільярдів років тому численні галактики-гіганти формували зорі зі швидкістю, яка у понад 100 разів перевищувала швидкість Чумацького Шляху. Хоча навіть у сучасному Всесвіті є кілька галактик, в яких зореутворення відбувається з такою же швидкістю, майже всі вони є такими галактиками, що зіштовхуються або зливаються. Виходячи з цього, вчені припустили, що такі інтенсивні сплески зореутворення в галактиках-монстрах також спричинені значним припливом газу в їхні центри внаслідок зіткнення або злиття галактик, і що вони еволюціонують у гігантські еліптичні галактики, коли газ вичерпується.

Галактики-монстри знаходяться далеко від Землі та затулені величезною кількістю пилу, що утворюється в результаті інтенсивного зореутворення, через що їх важко спостерігати в оптичному діапазоні довжин хвиль. Донедавна їхня форма та механізм (фізичний процес), що спричиняє такі сплески зореутворення, залишалися майже невідомими. Однак нещодавні спостереження в інфрачервоному діапазоні за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба виявили приховані пилом галактики-монстри з дивовижною структурою дисків. Це підштовхнуло до нових запитань: чому галактики-монстри, які виглядають як звичайні дискові галактики, переживають такі інтенсивні сплески зореутворення?

Дослідницька група на чолі з Шуо Хуангом з Нагойського університету обрала своєю мішенню галактику-монстра зі спіральною структурою, що виникла у Всесвіті 11,1 мільярда років тому. Галактика під назвою J0107a, розташована на червоному зміщенні z=2,467, була випадково знайдена у 2014 році під час спостереження за сусідньою галактикою VV114, що перебуває у процесі злиття. Зображення VV114 в ближньому інфрачервоному діапазоні космічного телескопа Джеймса Вебба, опубліковані в 2023 році, показали, що J0107a є надзвичайно масивним прикладом галактики-монстра, з масою, що більш ніж в десять разів перевищує масу Чумацького Шляху, і швидкістю зореутворення, що приблизно в 300 разів перевищує швидкість нашої галактики. Ще більш дивовижним є те, що J0107a має досконалу структуру спіралі з перемичкою, одну з найбільших і найчіткіших серед усіх галактик цієї космічної епохи. За формою вона більше схожа на сучасні спіралі з перемичками, ніж на будь-які інші раніше спостережувані галактики-монстри. Хоча для вивчення чинників інтенсивного зореутворення J0107a потрібно більше інформації про кінематику газу, спектроскопічні спостереження галактики, вкритої пилом, є надзвичайно складними, навіть за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба.

Далі, команда дослідників використала ALMA для спостереження емісійних ліній монооксиду вуглецю й нейтральних атомів вуглецю та виявила, що J0107a дуже схожа на сучасні спіральні галактики, такі як Чумацький Шлях, за формою своєї структури перемички, а також за розподілом і рухом супутнього газу.

Команда також виявила, що в той час, як частка газу в структурі перемички сучасної галактики становить менш як 10% від загальної маси, в J0107a вона дуже висока -- близько 50%. Дані показують, що структура перемички J0107a, яка складається із зірок і газу з масою, набагато більшою, ніж у сучасних галактик, перемішує диск, створюючи потік газу зі швидкістю кілька сотень кілометрів на секунду в радіусі 20 000 світлових років навколо центру галактики, що еквівалентно відстані від центру Чумацького Шляху до Сонячної системи. Частина цього газу потрапляє в центр галактики, що призводить до інтенсивного зореутворення. Жодні попередні теоретичні дослідження формування галактик не передбачали існування галактики-монстра з такою структурою перемички.

Це перше успішне пряме спостереження сплеску зореутворення у ранньому Всесвіті, що викликане припливом газу до перемички галактики.

Традиційні теорії формування та еволюції галактик-монстрів припускають, що інтенсивне зореутворення відбувається внаслідок зіткнень і злиття галактик або гравітаційної нестабільності в їхніх дисках, що згодом перетворює їх на еліптичні галактики протягом сотень мільйонів років.

Водночас вважається, що J0107a розвинула форму, що нагадує сучасну спіральну галактику, зберігаючи при цьому екстремальні фізичні властивості галактики-монстра, протягом сотень мільйонів років у ранньому Всесвіті, всього через 2,6 мільярда років після Великого Вибуху.

Детальні дані про розподіл газу та кінематику, отримані в результаті цього спостереження, дадуть важливі підказки не лише для вивчення походження галактик-монстрів, але й для дослідження формування та еволюції структури перемички в інших галактиках, оскільки ми є свідками процесу формування структури перемички у ранньому Всесвіті.

Шуо Хуанг, керівник дослідницької групи, каже: "Значна кількість газу, необхідна для зростання гігантських галактик, постачається у результаті злиття галактик або притоку з космічної павутини. Хоча немає жодних ознак злиття галактик, навколо J0107a було виявлено великий газовий диск. Цей газовий диск має діаметр близько 120 000 світлових років, що вдвічі перевищує діаметр основного тіла галактики, видимого у вигляді зірок, і його рух приблизно повторює рух самої галактики. Виходячи з цього, ми припускаємо, що він утворився з великої кількості газу, який по спіралі рухається до галактики з космічної павутини (*). Це нове уявлення галактики-монстра, де дискова галактика формується з потоку газу космічного масштабу з подальшим виникненням структури перемички під час галактичної еволюції, що призводить до швидких галактичних потоків газу й спалахів зореутворення. Ми продовжимо наші спостереження з ALMA, щоб дослідити це далі".

Це дослідження було опубліковане 21 травня 2025 року в журналі Nature у статті під назвою "Великий приплив газу, спричинений зрілою перемичкою галактики у ранньому Всесвіті".

* Ці газові потоки, що рухаються до галактик з космічної павутини, передбачені теоретично та називаються «холодними потоками».

• Галактики
• телескоп Вебба
• ALMA
• Зореутворення в галактиках