Когда космический телескоп Джеймса Уэбба был запущен на Рождество 2021 года, он столкнулся с целым рядом интригующих вопросов. К тому времени, когда он, наконец, был запущен, у астрономов был большой список целей, требующих такого типа детальных наблюдений, которые мог выполнить только мощный инфракрасный космический телескоп. Одной из целей была древняя, массивная галактика, которая по сути мертва и не образует новых звезд.
Результаты получены, и международная группа астрономов знает, что произошло с покоящейся галактикой.
Рост и эволюция галактик — ключевая область изучения астрономии. Как мы дошли от Большого взрыва до сегодняшнего дня, когда массивные галактики, такие как наш Млечный Путь, населяют Вселенную? Астрономы узнали, что сверхмассивные черные дыры (СМЧД) находятся в центре массивных галактик и оказали мощное влияние на формирование их галактик.
СМЧД создают мощные активные галактические ядра (AGN) в ядрах галактик. Когда СМЧД притягивает к себе материал, материал собирается в аккреционном диске. Материал нагревается до чрезвычайно высоких температур и выделяет энергию по всему электромагнитному спектру, создавая AGN, который может затмить остальную часть галактики.
AGN — мощные объекты. Согласно теории, они обладают способностью нарушать подачу холодного газа звездообразования и резко замедлять скорость звездообразования (SFR) в своей галактике-хозяине. Они выдувают ветры звездообразующего газа из своих галактик, что замедляет SFR. Астрономы называют это гашением, и это часто наблюдается в массивных галактиках, называемых спокойными галактиками.
Теперь JWST наблюдал древнюю массивную галактику под названием GS-10578 на красном смещении z?=?3.064. Ее прозвали «Галактикой Пабло», и для такой ранней стадии эволюции Вселенной она массивна: она содержит около двух миллиардов солнечных масс. Но Галактика Пабло погашена, то есть большая часть ее звездообразования произошла между 12,5 и 11,5 миллиардами лет назад. Многие местные массивные галактики погашены, что помогло продвинуть разработку теории гашения АЯГ.
Группа ученых представили свое исследование Галактики Пабло в новой статье под названием «Быстро вращающаяся галактика после вспышки звездообразования, подавленная сверхмассивной обратной связью черной дыры при z?=?3». Статья опубликовано в журнале Nature Astronomy, а соавтором является Франческо Д'Эухенио из Института космологии Кавли и Кавендишской лаборатории Кембриджского университета в Великобритании.
«Мы нашли виновника. Черная дыра убивает эту галактику и держит ее в состоянии покоя, отрезая источник «пищи», необходимой галактике для формирования новых звезд».
Франческо Д'Эухенио, Институт космологии Кавли, Кембриджский университет, Великобритания
«Локальные, массивные, неподвижные галактики стоят как колоссальные обломки славных, но далеких историй звездообразования (SFHs) и мощного и быстрого гашения, подобных которому нет в наши дни», — пишут авторы. «Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) впервые позволил нам стать свидетелями этих монументальных галактик в давно минувшую эпоху, когда они возникали и исчезали».
«На основе более ранних наблюдений мы знали, что эта галактика находится в замороженном состоянии: она не формирует много звезд, учитывая ее размер, и мы ожидаем, что существует связь между черной дырой и окончанием звездообразования», — сказал соавтор доктор Франческо Д'Эухенио из Института космологии Кавли в Кембридже. «Однако до Уэбба мы не могли изучить эту галактику достаточно подробно, чтобы подтвердить эту связь, и мы не знали, является ли это замороженное состояние временным или постоянным».
«В ранней Вселенной большинство галактик формируют множество звезд, поэтому интересно увидеть такую массивную мертвую галактику в этот период времени», — сказал соавтор, профессор Роберто Майолино, также из Института космологии Кавли. «Если у нее было достаточно времени, чтобы достичь таких огромных размеров, какой бы процесс ни остановил звездообразование, он, вероятно, произошел относительно быстро».
Галактику Пабло иногда называют «голубым самородком», классом галактик, которые, как полагают, существовали только в ранней Вселенной. Голубые самородки массивны и чрезвычайно компактны, и астрономы считают, что они являются предшественниками современных спокойных галактик, называемых «красными самородками». Голубые самородки испытывают «богатое газом уплотнение». Это означает, что есть центральный всплеск звездообразования, который вызван нестабильностью диска или богатыми газом крупными слияниями. За этим всплеском следует гашение, которое оставляет галактику красного самородка.
«Как мы покажем, GS-10578, вместо этого, уже является красным самородком на продвинутой стадии гашения», — пишут авторы. Они объясняют, что он сливается с несколькими маломассивными галактиками-спутниками и «претерпевает мощную, выбрасывающую обратную связь от своей сверхмассивной черной дыры».
Исследователи говорят, что у них есть прямые доказательства того, что обратная связь AGN может подавлять звездообразование в ранних галактиках. Предыдущие наблюдения с другими телескопами показывают, что галактики имеют быстрые исходящие ветры газа. Этот газ горячий, что облегчает его наблюдение, но это не предоставило доказательств того, что сверхмассивные черные дыры и AGN могут подавлять звездообразование. Это потому, что газ горячий, а звезды образуются из холодного, плотного газа.
Галактика Пабло ничем не отличается. Она выбрасывает большие объемы горячего газа на скоростях, достаточно высоких, чтобы полностью покинуть галактику. СМЧД и ее АЯГ выталкивают газ.
Но JWST внес свой вклад в эти новые наблюдения. Он обнаружил новый компонент исходящего ветра, состоящий из холодного газа. Холодный газ не излучает свет, но JWST чрезвычайно чувствителен и может обнаружить его по тому, как он блокирует свет от далеких галактик на заднем плане. Критически важно, что без холодного газа галактика с трудом формирует звезды и гаснет.
Количество газа, выбрасываемого ветрами, создаваемыми активным ядром галактики, превышает количество, необходимое для образования новых звезд.
«Мы нашли виновника», — сказал Д'Эухенио. «Черная дыра убивает эту галактику и держит ее в состоянии покоя, отрезая источник «пищи», необходимой галактике для формирования новых звезд».
Это захватывающие результаты, но авторы предупреждают, что это всего лишь одна галактика. «GS-10578 представляет собой уникальную возможность изучить, как самые массивные галактики во Вселенной стали — и остались — неподвижными», — объясняют авторы в своем исследовании. «Хотя мы не можем сделать общие выводы из одной цели, мы показываем, что обратная связь AGN способна питать истечения нейтрального газа с высокой скоростью и большой массой, достаточными для прерывания звездообразования путем удаления его холодного газового топлива».
Также есть еще нерешенные вопросы. Другие галактики, похожие на Галактику Пабло, также показывают, что истечение ветров холодного газа может быть ключом к тушению галактик. «Как именно эти истечения связаны с AGN, пока не ясно», — пишут авторы. Они объясняют, что только перепись подобных галактик может сказать нам, являются ли эти сильные выбросы звездообразующего газа ключевым механизмом, вызывающим тушение, или выброс газа является просто эпизодическим.
JWST также ответил на другой нерешенный вопрос о погасших галактиках. Наши теоретические модели показали, что когда звездообразование галактики было погасло, это было турбулентное событие, которое яростно разрушило форму галактики. Галактика Пабло по-прежнему демонстрирует величественную дисковую форму спокойной галактики. Ее звезды движутся равномерно, предсказуемым образом.
JWST работает именно так, как и задумано. Открывая древнюю Вселенную, он отвечает на многие давние вопросы в астрономии, астрофизике и космологии.
«Мы знали, что черные дыры оказывают огромное влияние на галактики, и, возможно, это обычное дело, что они останавливают звездообразование, но до Уэбба мы не могли напрямую подтвердить это», — сказал Майолино. «Это еще один способ, которым Уэбб является таким гигантским скачком вперед с точки зрения нашей способности изучать раннюю Вселенную и то, как она развивалась».
