От космического пятнышка до колоссальной галактики: Уэбб раскрывает гиганта ранней Вселенной

Подробные фотографии одной из первых галактик показывают, что рост в ранней Вселенной был намного быстрее, чем предполагалось.

Астрономы в настоящее время переживают плодотворный период открытий, исследуя многие загадки ранней Вселенной.

Успешный запуск космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), преемника космического телескопа НАСА «Хаббл», раздвинул границы того, что мы можем видеть.

Наблюдения сейчас касаются первых 500 миллионов лет после Большого взрыва, когда возраст Вселенной составлял менее пяти процентов от ее нынешнего возраста. Для людей на этот раз Вселенная прочно перейдет на стадию развития.

Тем не менее, галактики, которые мы наблюдаем, определенно не являются инфантильными: новые наблюдения показывают, что галактики более массивны и зрелы, чем ожидалось ранее для таких ранних времен, что помогает переписать наше понимание формирования и эволюции галактик.

Наша международная исследовательская группа недавно провела беспрецедентно подробные наблюдения одной из самых ранних известных галактик, получившей название Gz9p3. Природа Астрономия.

Его название происходит от Стекольное сотрудничество (название нашей международной исследовательской группы) и тот факт, что галактика имеет красное смещение z=9,3, где красное смещение — один из способов описания расстояния до объекта — отсюда G и z9p3.

Всего пару лет назад Gz9p3 появился как единственная точка света сквозь Космический телескоп Хаббл. Но с помощью Космический телескоп Джеймса Уэбба мы могли наблюдать этот объект таким, каким он был через 510 миллионов лет после Большой взрывоколо 13 миллиардов лет назад.

Мы обнаружили, что Gz9p3 оказался гораздо более массивным и зрелым, чем ожидалось для такой молодой Вселенной, уже содержащей несколько миллиардов звезд.

Это, безусловно, самый массивный объект, подтвержденный с того времени. По расчетам, он в 10 раз массивнее, чем любая другая галактика, обнаруженная в то время во Вселенной.

В совокупности эти результаты позволяют предположить, что для того, чтобы галактика достигла такого размера, звезды должны были развиваться гораздо быстрее и эффективнее, чем мы думали вначале.

Самое отдаленное слияние галактик в ранней Вселенной

Gz9p3 не только огромен, но и его сложная форма сразу идентифицирует его как одно из самых ранних слияний галактик, когда-либо наблюдавшихся.

Изображение галактики JWST показывает морфологию, обычно связанную с двумя взаимодействующими галактиками. И слияние еще не завершено, потому что мы все еще видим два компонента.

Когда два массивных объекта соединяются таким образом, они фактически выбрасывают часть материи в процессе. Итак, этот выброшенный материал позволяет предположить, что то, что мы наблюдали, является одним из самых отдаленных слияний, когда-либо виденных.

Затем наше исследование заглянуло глубже, чтобы описать популяцию звезд, составляющих сливающиеся галактики. Используя JWST, мы смогли изучить спектр галактикиразделяя свет так же, как призма расщепляет белый свет на радугу.

При использовании только изображений большинство исследований этих очень далеких объектов показывают только очень молодые звезды, потому что более молодые звезды ярче и поэтому их свет доминирует в данных изображений.

Например, молодая яркая популяция, возникшая в результате слияния галактик, возрастом менее нескольких миллионов лет, затмевает старую популяцию, возраст которой уже превышает 100 миллионов лет.

Используя метод спектроскопии мы можем провести настолько подробные наблюдения, что можно будет различить эти две популяции.

Новые модели ранней Вселенной

Столь зрелая и пожилая популяция не ожидалась, учитывая, как должны были образоваться ранние звезды, чтобы достаточно состариться к этому космическому времени. Спектроскопия настолько детальна, что мы можем видеть тонкие особенности старых звезд, которые говорят нам, что там есть нечто большее, чем вы думаете.

Конкретные элементы, обнаруженные в спектре (включая кремний, углерод и железо), показывают, что эта более древняя популяция должна существовать, чтобы обогатить галактику множеством химических веществ.

Удивляет не только размер галактик, но и скорость, с которой они достигли такого химически зрелого состояния.

Эти наблюдения предоставляют доказательства быстрого и эффективного накопления звезд и металлов сразу после Большого взрыва, связанного с продолжающимися слияниями галактик, демонстрируя, что массивные галактики с несколькими миллиардами звезд существовали раньше, чем ожидалось.

Изолированные галактики наращивают популяцию звезд на месте Однако из их ограниченных резервуаров газа это может быть медленным способом роста галактик.

Взаимодействия между галактиками могут привлекать новые притоки чистого газа, обеспечивая топливо для быстрого звездообразования, а слияния обеспечивают еще более ускоренный канал для накопления и роста массы.

Все крупнейшие галактики в нашей современной Вселенной имеют историю слияний, включая нашу собственную. Млечный Путь которая выросла до своих нынешних размеров в результате последовательных слияний с меньшими галактиками.

Эти наблюдения Gz9p3 показывают, что галактики могли быстро накапливать массу в ранней Вселенной посредством слияний, при этом эффективность звездообразования была выше, чем мы ожидали.

Это и другие наблюдения с использованием JWST заставляют астрофизиков скорректировать свои модели ранних лет существования Вселенной.

Наша космология не обязательно ошибочна, но наше понимание того, как быстро образовались галактики, вероятно, неверно, потому что они более массивны, чем мы когда-либо могли себе представить.

Эти новые результаты являются своевременными, поскольку мы приближаемся к двухлетней отметке для научных наблюдений, проводимых с использованием JWST.

По мере того как общее количество наблюдаемых галактик растет, астрономы, изучающие раннюю Вселенную, переходят от фазы открытия к периоду, когда у нас будут достаточно большие образцы, чтобы начать строить и совершенствовать новые модели.

Никогда еще не было более захватывающего времени для разгадки тайн ранней Вселенной.

Ссылка: «Массивная взаимодействующая галактика через 510 миллионов лет после Большого взрыва» Кристан Бойетт, Мишель Тренти, Нича Литочавалит, Антонелло Калабро, Бенджамин Мета, Гвидо Робертс-Борсани, Николо Далмассо, Лилан Янг, Паола Сантини, Томмазо Треу, Такер Джонс Алайна Генри, Шарлотта А. Мейсон, Такахиро Моришита, Темия Нанаяккара, Намрата Рой, Синь Ван, Адриано Фонтана, Эмилиано Мерлин, Марко Кастеллано, Диего Пэрис, Маруша Брадача, Мэтт Малкан, Данило Маркезини, Сара Массия, Карл Глейзбрук, Лаура Пентериччи , Эрос Ванцелла и Бенедетта Вулкани, 7 марта 2024 г., Природа Астрономия.
DOI: 10.1038/s41550-024-02218-7

Исследование возглавил доктор Кит Бойетт с командой, в которую входили профессор Мишель Тренти, Бенджамин Мета и Николо Далмассо также из Мельбурнского университета и Центр передового опыта ARC в области астрофизики всего неба в трех измерениях (ASTRO 3D). В состав международной исследовательской группы вошли 27 авторов из 19 учреждений Австралии, Таиланда, Италии, США, Японии, Дании и Китая.