Астрономы с помощью космического телескопа James Webb Space Telescope (JWST) обнаружили крайне необычную галактику, существовавшую всего через несколько миллиардов лет после Большого взрыва. Главная неожиданность заключается в том, что массивная древняя галактика практически не вращается — хотя современные модели предсказывают, что молодые галактики ранней Вселенной должны были активно вращаться и формировать диски.
Открытие было сделано международной группой исследователей под руководством Бена Форреста из Калифорнийского университета в Дэвисе. Результаты опубликованы в журнале Nature Astronomy.
Обнаруженная галактика получила обозначение XMM-VID1-2075. Она наблюдается такой, какой была примерно 11,5 миллиарда лет назад, когда возраст Вселенной составлял лишь около 2 миллиардов лет.
Для современной астрофизики это открытие оказалось особенно важным, поскольку оно противоречит распространенным представлениям о том, как формировались первые массивные галактики.
Почему вращение галактик настолько важно
Большинство известных галактик вращаются.
Например:
- Млечный Путь вращается вокруг своего центра;
- спиральные галактики формируют вращающиеся диски;
- газ, звезды и пыль движутся по орбитам вокруг центральной области.
Именно вращение играет ключевую роль в формировании структуры галактики. Благодаря угловому моменту вещество постепенно уплощается, создавая характерные диски и спиральные рукава.
Современные модели формирования галактик предполагают, что ранняя Вселенная была особенно «бурной»:
- происходили частые столкновения галактик;
- активно формировались новые звезды;
- внутрь галактик поступали огромные объемы газа;
- структуры быстро накапливали массу.
При этом большинство молодых галактик должны были сохранять заметное вращение.
Именно поэтому обнаружение массивной галактики без выраженного вращения стало неожиданностью.
Что именно обнаружил James Webb
JWST исследовал галактику XMM-VID1-2075 с помощью спектрографа NIRSpec IFU — прибора, позволяющего одновременно получать изображение и измерять движение вещества внутри галактики.
Ученые ожидали увидеть типичную картину:
- одна сторона галактики движется к наблюдателю;
- другая удаляется;
- возникает выраженный градиент скоростей, указывающий на вращение.
Однако этого не произошло.
Наблюдения показали, что звезды внутри XMM-VID1-2075 движутся в основном хаотически, а не по упорядоченным вращающимся орбитам.
Такие объекты астрономы называют slow rotators — «медленными ротаторами» или практически невращающимися галактиками.
Обычно такие галактики встречаются только в современной Вселенной
Наиболее удивительным оказался возраст объекта.
Сегодня медленно вращающиеся галактики хорошо известны астрономам, но почти все они находятся в относительно близкой и зрелой Вселенной. Обычно это:
- гигантские эллиптические галактики;
- очень массивные системы;
- объекты, пережившие множество слияний.
Считается, что такие галактики постепенно теряют упорядоченное вращение из-за многочисленных столкновений и гравитационных взаимодействий.
Но XMM-VID1-2075 существовала слишком рано.
Вселенная в тот момент была еще молодой, а подобные зрелые динамические структуры теоретически должны были быть крайне редкими.
Галактика уже перестала формировать звезды
Дополнительной неожиданностью стало состояние самой галактики.
XMM-VID1-2075 относится к так называемым quiescent galaxies — «погасшим» или «спящим» галактикам. Это означает, что активное звездообразование в ней уже практически прекратилось.
Для молодой Вселенной это необычно.
Большинство ранних галактик, наблюдаемых JWST:
- активно формируют звезды;
- содержат огромные объемы газа;
- отличаются высокой яркостью;
- быстро растут.
Но XMM-VID1-2075 выглядит значительно более «старой» и эволюционно зрелой, чем ожидалось для своей эпохи.
Масса галактики оказалась огромной
Исследование показало, что галактика обладает очень большой массой.
По оценкам ученых, ее звездная масса составляет примерно сотни миллиардов солнечных масс.
Для сравнения:
- масса звезд Млечного Пути оценивается примерно в 60–70 миллиардов солнечных масс;
- многие ранние галактики значительно меньше и менее организованы.
Это означает, что XMM-VID1-2075 успела:
- быстро накопить массу;
- сформировать огромное количество звезд;
- прекратить активное звездообразование;
- приобрести структуру зрелой галактики.
И все это произошло менее чем за 2 миллиарда лет после Большого взрыва.
Почему это противоречит современным моделям
Согласно большинству космологических моделей, ранние галактики должны были проходить несколько стадий:
- Быстрое накопление газа.
- Активное вращение и формирование диска.
- Интенсивное звездообразование.
- Постепенные слияния и потеря вращения.
- Формирование массивной эллиптической галактики.
Однако XMM-VID1-2075, судя по всему, достигла поздней стадии эволюции слишком рано.
Это означает, что современные модели могут недооценивать скорость формирования крупных галактик в ранней Вселенной.
Возможное объяснение — серия гигантских столкновений
Одной из главных гипотез является серия быстрых слияний.
Когда галактики сталкиваются, их упорядоченное вращение может разрушаться. Звезды начинают двигаться по более хаотическим траекториям, а система постепенно превращается в эллиптическую галактику.
Если XMM-VID1-2075 пережила несколько крупных столкновений за короткое время, это могло:
- уничтожить вращающийся диск;
- резко ускорить рост массы;
- вызвать вспышку звездообразования;
- быстро исчерпать запасы газа.
Но проблема заключается в том, что для столь ранней эпохи подобная эволюция выглядит слишком быстрой.
JWST продолжает находить «слишком зрелые» галактики
Это открытие стало частью более широкой тенденции.
С момента запуска James Webb астрономы неоднократно обнаруживают объекты, которые выглядят слишком массивными, яркими или зрелыми для ранней Вселенной.
Среди них:
- неожиданно массивные галактики;
- ранние квазары с гигантскими черными дырами;
- зрелые звездные популяции;
- крупные структуры, сформировавшиеся раньше прогнозов.
Каждое такое наблюдение усиливает дискуссию о том, насколько точны существующие модели космологической эволюции.
James Webb радикально изменил изучение ранней Вселенной
До запуска JWST астрономы могли наблюдать ранние галактики лишь ограниченно.
Инфракрасные возможности нового телескопа позволяют видеть объекты, свет от которых шел более 13 миллиардов лет.
Благодаря этому ученые получили возможность изучать:
- первые поколения звезд;
- ранние галактики;
- формирование сверхмассивных черных дыр;
- процессы звездообразования вскоре после Большого взрыва.
Именно JWST впервые позволил настолько подробно исследовать внутреннюю динамику столь далекой галактики.
Галактики ранней Вселенной могут развиваться намного быстрее
Новое исследование показывает, что ранняя Вселенная, вероятно, была гораздо более сложной и разнообразной, чем предполагалось.
Ранее считалось, что молодые галактики должны быть:
- хаотичными;
- богатыми газом;
- активно вращающимися;
- находящимися на ранних стадиях эволюции.
Но XMM-VID1-2075 демонстрирует совершенно другую картину:
- огромная масса;
- отсутствие заметного вращения;
- прекращение звездообразования;
- структура зрелой эллиптической галактики.
Это может означать, что некоторые галактики формировались и эволюционировали значительно быстрее, чем допускают современные модели.
Астрономы планируют искать другие подобные объекты
Исследователи подчеркивают, что пока речь идет лишь об одном объекте.
Следующая задача — выяснить:
- насколько распространены невращающиеся ранние галактики;
- являются ли они исключением;
- или JWST обнаружил новый класс древних массивных систем.
Если подобных объектов окажется много, астрофизикам придется серьезно пересматривать существующие представления о формировании галактик.
Ранняя Вселенная оказывается менее предсказуемой
За последние годы James Webb уже неоднократно показывал, что ранняя Вселенная была гораздо более активной и сложной, чем ожидалось.
Теперь к списку космических загадок добавилась еще одна — массивная древняя галактика, которая практически не вращается, несмотря на то, что существовала в эпоху бурного формирования галактических структур.
Для современной космологии это особенно важно, поскольку вращение считается одним из фундаментальных свойств формирования галактик. И если часть ранних галактик могла обходиться без него, ученым, возможно, придется пересматривать сами основы моделей эволюции Вселенной.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
