В ранней Вселенной найдена галактика со сверхмассивной перемычкой и сверхбыстрым звездообразованием

Наблюдая за массивной и чрезвычайно активной спиральной галактикой в ранней Вселенной с помощью телескопов ALMA и «Джеймс Уэбб», исследователи обнаружили, что эта галактика-монстр имеет важные сходства и различия по сравнению с современными галактиками.

Это открытие улучшает наше понимание того, как растут и эволюционируют спиральные галактики с перемычками, такие как наша галактика Млечный Путь, о чем рассказывается на японском сайте обсерватории ALMA («Атакамская большая миллиметровая/субмиллиметровая решетка»).

В ранней Вселенной более 10 миллиардов лет назад многочисленные галактики-гиганты формировали звезды со скоростью, которая более чем в 100 раз превышала скорость Млечного Пути. Хотя даже в современной Вселенной есть несколько галактик, в которых звездообразование происходит с такой же скоростью, почти все они являются сталкивающимися или сливающимися галактиками. Исходя из этого, ученые предположили, что такие интенсивные всплески звездообразования в галактиках-монстрах также вызваны значительным притоком газа в их центры в результате столкновения или слияния галактик, и что они эволюционируют в гигантские эллиптические галактики, когда газ иссякает.

Галактики-монстры находятся далеко от Земли и заслонены огромным количеством пыли, образующейся в результате интенсивного звездообразования, из-за чего их трудно наблюдать в оптическом диапазоне длин волн. До недавнего времени их форма и механизм (физический процесс), вызывающий такие всплески звездообразования, оставались почти неизвестными. Однако недавние наблюдения в инфракрасном диапазоне с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба обнаружили скрытые пылью галактики-монстры с удивительной структурой дисков. Это подтолкнуло к новым вопросам: почему галактики-монстры, которые выглядят как обычные дисковые галактики, переживают такие интенсивные всплески звездообразования?

Исследовательская группа во главе с Шуо Хуангом из Нагойского университета выбрала своей мишенью галактику-монстра со спиральной структурой, возникшую во Вселенной 11,1 миллиарда лет назад. Галактика под названием J0107a, расположенная на красном смещении z=2,467, была случайно найдена в 2014 году во время наблюдения за соседней галактикой VV114, находящейся в процессе слияния. Изображения VV114 в ближнем инфракрасном диапазоне космического телескопа Джеймса Уэбба, опубликованные в 2023 году, показали, что J0107a является чрезвычайно массивным примером галактики-монстра, с массой, более чем в десять раз превышающей массу Млечного Пути, и скоростью звездообразования, примерно в 300 раз превышающей скорость нашей галактики. Еще более удивительным является то, что J0107a имеет совершенную структуру спирали с перемычкой, одну из самых больших и четких среди всех галактик этой космической эпохи. По форме она больше похожа на современные спирали с перемычками, чем на любые другие ранее наблюдаемые галактики-монстры. Хотя для изучения факторов интенсивного звездообразования J0107a требуется больше информации о кинематике газа, спектроскопические наблюдения галактики, покрытой пылью, являются чрезвычайно сложными, даже с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба.

Далее, команда исследователей использовала ALMA для наблюдения эмиссионных линий монооксида углерода и нейтральных атомов углерода и обнаружила, что J0107a очень похожа на современные спиральные галактики, такие как Млечный Путь, по форме своей структуры перемычки, а также по распределению и движению сопутствующего газа.

Команда также обнаружила, что в то время, как доля газа в структуре перемычки современной галактики составляет менее 10% от общей массы, в J0107a она очень высока -- около 50%. Данные показывают, что структура перемычки J0107a, которая состоит из звезд и газа с массой, гораздо большей, чем у современных галактик, перемешивает диск, создавая поток газа со скоростью несколько сотен километров в секунду в радиусе 20 000 световых лет вокруг центра галактики, что эквивалентно расстоянию от центра Млечного Пути до Солнечной системы. Часть этого газа попадает в центр галактики, что приводит к интенсивному звездообразованию. Никакие предыдущие теоретические исследования формирования галактик не предполагали существование галактики-монстра с такой структурой перемычки.

Это первое успешное прямое наблюдение всплеска звездообразования в ранней Вселенной, вызванного притоком газа к перемычке галактики.

Традиционные теории формирования и эволюции галактик-монстров предполагают, что интенсивное звездообразование происходит в результате столкновений и слияния галактик или гравитационной нестабильности в их дисках, что впоследствии превращает их в эллиптические галактики в течение сотен миллионов лет.

В то же время считается, что J0107a развила форму, напоминающую современную спиральную галактику, сохраняя при этом экстремальные физические свойства галактики-монстра, в течение сотен миллионов лет в ранней Вселенной, всего через 2,6 миллиарда лет после Большого Взрыва.

Подробные данные о распределении газа и кинематике, полученные в результате этого наблюдения, дадут важные подсказки не только для изучения происхождения галактик-монстров, но и для исследования формирования и эволюции структуры перемычки в других галактиках, поскольку мы являемся свидетелями процесса формирования структуры перемычки в ранней Вселенной.

Шуо Хуанг, руководитель исследовательской группы, говорит: "Значительное количество газа, необходимое для роста гигантских галактик, поставляется в результате слияния галактик или притока из космической паутины. Хотя нет никаких признаков слияния галактик, вокруг J0107a был обнаружен большой газовый диск. Этот газовый диск имеет диаметр около 120 000 световых лет, что вдвое превышает диаметр основного тела галактики, видимого в виде звезд, и его движение примерно повторяет движение самой галактики. Исходя из этого, мы предполагаем, что он образовался из большого количества газа, который по спирали движется к галактике из космической паутины (*). Это новое представление галактики-монстра, где дисковая галактика формируется из потока газа космического масштаба с последующим возникновением структуры перемычки во время галактической эволюции, что приводит к быстрым галактическим потокам газа и вспышкам звездообразования. Мы продолжим наши наблюдения с ALMA, чтобы исследовать это дальше".

Это исследование было опубликовано 21 мая 2025 года в журнале Nature в статье под названием "Большой приток газа, вызванный зрелой перемычкой галактики в ранней Вселенной".

* Эти газовые потоки, движущиеся к галактикам из космической паутины, предусмотрены теоретически и называются «холодными потоками».

• Галактики
• телескоп Уэбба
• ALMA
• Звездообразование в галактиках