Раскрыт секрет стремительного роста гигантских галактик на заре Вселенной

Вот уже два десятилетия астрономов ставит в тупик наблюдение, идущее вразрез с ожиданиями: массивные хорошо развитые галактики существуют уже через несколько миллиардов лет после Большого взрыва. Логика подсказывает, что на раннем этапе истории Вселенной можно найти лишь галактики с молодыми звездами и активным звездообразованием. В реальности же повсеместно встречаются эллиптические галактики с древним звездным населением и почти полным отсутствием холодного газа — сырья для рождения новых звезд. Эти находки бросают вызов общепринятым моделям формирования космологических структур.

Наблюдения в радиодиапазоне за одной из самых производительных звездных фабрик помогли эту космическую тайну раскрыть. Своими выводами ученые поделились в The Astrophysical Journal.

«В общепринятой иерархической картине, где крупные галактики наращивают свою массу постепенно — через гравитационное взаимодействие и слияния меньших „кирпичиков“, — формирование некоторых гигантских эллиптических галактик должно было идти совершенно иным путем, чем считалось ранее. Вместо медленного накопления массы на протяжении 14 миллиардов лет массивная эллиптическая галактика способна возникнуть стремительно — всего за несколько сотен миллионов лет. Она может родиться в результате коллапса и слияния крупной первичной структуры за время, которого Солнцу не хватит, чтобы совершить один оборот вокруг центра Млечного Пути. Мы обнаружили, что структуры с наивысшей плотностью должны были первыми „открепиться“ от расширения Вселенной, когда ее возраст составлял лишь 10% от нынешнего, и затем стремительно собрать воедино целые протоскопления», — говорит ведущий автор исследования Николаус Зульценауэр из Радиоастрономического института Макса Планка.

По мере расширения пространства первые наполненные газом структуры, пронизывавшие тогда Вселенную, тоже расходились в стороны. Сжатие газа порождает космический фейерверк, ослепительно яркий из-за нагрева в очагах звездообразования. Это свечение — настоящий маяк в дальнем инфракрасном и миллиметровом диапазонах, доступный для наблюдений такими инструментами, как ALMA и APEX.

Мощнейшая звездная фабрика

Авторы исследовали холодный газ и пыль в центре SPT2349-56 — протоскопления, которое мы видим таким, каким оно было всего через 1,4 миллиарда лет после Большого взрыва. Оно находится в южном созвездии Феникса. SPT2349-56 дает редчайшую возможность заглянуть в первые скопления галактик — главные очаги образования массивных эллиптических систем.

«SPT2349-56 удерживает рекорд как самая мощная „звездная фабрика“», — отмечает Аксель Вайс, участвовавший в первоначальном открытии этого объекта с помощью телескопа APEX.

«В его центре мы нашли четыре тесно взаимодействующие галактики, которые сообща производят одну звезду каждые 40 минут», — подтверждает Райли Хилл из Университета Британской Колумбии.

Для сравнения: у нас в Млечном Пути рождаются три-четыре звезды за год.

«Этот галактический квартет выбрасывает гигантские когерентные приливные рукава, движущиеся со скоростью 300 километров в секунду и простирающиеся на площадь, намного превышающую размеры Млечного Пути. Они ярко светят в субмиллиметровом диапазоне, причем их светимость усилена в десять раз ударными волнами, возбуждающими атомы ионизированного углерода. Это яркое излучение позволило нам точно измерить движение газа в этой гравитационно выброшенной спирали, которая, словно бусы на нитке, опоясывает ядро протоскопления. К нашему удивлению, сгустки приливных обломков связывают в единую цепь еще 20 сталкивающихся галактик на периферии коллапсирующей структуры. Это указывает на общее происхождение. Впервые мы наблюдаем начало каскадного превращения, вызванного чередой слияний. Большинство из 40 богатых газом галактик в этом ядре обречены на разрушение и в конечном итоге трансформируются в гигантскую эллиптическую галактику менее чем за 300 миллионов лет — мгновение по космическим меркам», — говорит Зульценауэр.

Вопросы остаются

Детальные численные симуляции позволили выявить связь между наблюдениями этого коллапсирующего протоскопления и предыдущими исследованиями зрелых скоплений галактик. Поразительное сходство между объектами из разных космических эпох не только подтверждает решающую роль одновременных крупных слияний в формировании массивных галактик, но и может объяснить, как тяжелые элементы (например, углерод) нагреваются и распространяются внутри первых скоплений галактик.

«Хотя наши результаты открывают захватывающие перспективы в понимании быстрого формирования эллиптических галактик, остается множество вопросов: взаимодействие ударных волн от слияний, нагрев газа в процессе роста сверхмассивных черных дыр и их влияние на запасы топлива для звездообразования — все это по-прежнему большие загадки. Так что, возможно, утверждать, что мы полностью постигли „раннее детство“ гигантских эллиптических галактик, пока преждевременно — но мы очень в этом направлении продвинулись», — резюмировал Скотт Чепмен из Университета Далхаузи.