Изображение предоставлено: Pixabay/CC0 Public Domain
Астрономы как никогда близки к выяснению того, как крупнейшие галактики в космосе так быстро росли перед смертью.
Формирование галактик во Вселенной должно идти по довольно простому пути. Все начинается с маленьких галактик, которые затем увеличиваются в размерах, пока не станут гигантскими галактиками, которые мы видим в современной Вселенной, такими как наш Млечный Путь. Легко, правда?
Но это не обязательно верно для определенного класса эллиптических галактик — огромных сферических скоплений звезд без четкой структуры. С помощью финансирования ЕС исследователи намеревались выяснить происхождение этих галактик и раскрыть другие тайны Вселенной.
Для этого они отправились в прошлое с помощью мощных телескопов, которые могут проследить свет до отдаленных уголков Вселенной. Это позволило ученым увидеть галактики такими, какими они были в прошлом, даже миллиарды лет назад.
«Галактики — это флагштоки Вселенной. Они являются источником всего», — сказал Суне Тофт, космолог из Института Нильса Бора в Дании. «Понимание подробных сценариев создания — единственный способ понять начало Вселенной и наше происхождение».
Тофт возглавлял финансируемый ЕС проект ConTEXt с 2015 по 2021 год. Целью было наблюдать за некоторыми из старейших эллиптических галактик, датируемых первыми двумя миллиардами лет 13,8-миллиардной истории Вселенной.
Путешествие во времени в отдаленные темные уголки: ответов пока нет
Хотя исследователи получили некоторое представление об эллиптических галактиках, они остаются загадкой.
«Они известны уже много лет, но то, как они образуются, остается загадкой, поскольку в локальной вселенной они одинаково старые и мертвые», — сказал Тофт.
Идея его исследования заключалась в следующем: когда мы заглядываем в прошлое и наблюдаем галактики, находящиеся на расстоянии миллиардов световых лет, мы должны в конечном итоге начать видеть прародителей этих галактик и объяснить, как они смогли стать настолько массивными.
«Но чем дальше мы смотрели, тем старше и мертвее они выглядели. У них практически нет звездообразования», — сказал Тофт, имея в виду процесс, лежащий в основе эволюции галактик.
Это означало, что галактики ранней Вселенной должны были расти очень быстро. Однако пока неизвестно, как именно и когда.
И есть еще одна загадка: если галактики росли быстро, почему они перестали расти? И что это означало для нашего понимания иерархической структуры галактик во Вселенной, включающей звезды, планетные системы, звездные скопления и галактики?
«Предполагается, что первыми формируются маленькие галактики. «Так почему же эти массивные галактики формируются первыми?», — спросил Тофт.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
Звездообразование
Его гипотеза заключалась в том, что эти галактики могли подвергнуться интенсивному звездообразованию в начале своей истории и могли развиться в так называемые галактики со вспышками звезд.
Звездообразные галактики содержат чрезвычайно плотное количество пыли и газа и могут ежегодно образовывать звезды, в тысячи раз превышающие массу нашего Солнца. Для сравнения, наш Млечный Путь формирует в среднем одну новую солнечную массу в год.
Используя телескоп в Чили под названием «Большая миллиметровая решётка Атакамы», а также космические телескопы «Хаббл» и «Спитцер», оба из которых в то время вращались вокруг Земли, Тофт приступил к работе.
Он обнаружил, что в первые 1–2 миллиарда лет после Большого взрыва «было достаточно галактик, образующих звезды, чтобы превратиться в мертвые галактики». Эти галактики были плотными и компактными и напоминали ядра эллиптических галактик, которые мы видим сегодня.
Тофт предположил, что эти эллиптические галактики-прародители быстро сформировались во Вселенной, прежде чем что-то остановило их звездообразование.
Затем, в течение следующих 10 миллиардов лет или около того, они постепенно накопили больше звезд, пожирая меньшие галактики и помещая их звезды во внешние области галактики. Таким образом, эллиптические галактики остались старыми и мертвыми, но все же смогли вырасти до огромных размеров.
Ранний рост эллиптических тел, вероятно, был вызван слиянием галактик, которое спровоцировало звездообразование.
«Две большие галактики сталкиваются лоб в лоб, и газ в центре этого столкновения сжимается», — сказал Тофт. «Это то, что вам нужно для достижения очень высоких темпов звездообразования».
Однако до сих пор неясно, как были закрыты эти галактики. Как они могли так быстро прекратить образование звезд и в конечном итоге стать мертвыми галактиками, которые мы видим сегодня?
Сдерживать
Сирио Белли, астроном из Болонского университета в Италии, изучает эту проблему в рамках своего проекта «Красный кардинал» — инициативы, финансируемой ЕС и рассчитанной на период с 2023 по 2028 год.
Он использует мощный космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), вращающийся вокруг Солнца, для исследования этих ранних галактик, как никогда раньше. Возникает идея, что за их эволюцию ответственны черные дыры в центрах этих галактик.
Почти все современные галактики, включая нашу собственную, содержат в своем центре сверхмассивную черную дыру — огромный объект, масса которого в миллионы или миллиарды раз превышает массу нашего Солнца. Эти черные дыры стимулируют формирование и эволюцию галактики, возбуждая и выбрасывая газ и пыль на протяжении всей истории галактики.
Белли обнаружила, что эти черные дыры также могут быть ответственны за остановку звездообразования в ранних галактиках — процесс, называемый тушением.
В апреле 2024 года с помощью JWST его команда сообщила об открытии массивной галактики, которая вымирает примерно через 2,6 миллиарда лет после Большого взрыва. «Это счастливое совпадение, потому что мы наблюдали эту галактику именно в тот момент, когда произошло вымирание», — сказал он.
До недавнего времени казалось, что галактика разрослась. «Он просто перестал формировать звезды», — сказала Белли.
«В то же время мы обнаружили этот огромный ветер, исходящий из галактики. Мы полагаем, что это связано со сверхмассивной черной дырой в центре галактики».
Идея состоит в том, что черная дыра стала чрезвычайно активной, что «вытолкнуло газ из галактики», сказал Белли. «Значит, у вас нет газа для образования новых звезд. Это как в машине, у которой кончилось топливо».
Неясно, почему именно черная дыра стала активной. Одна из возможностей заключается в том, что как только черная дыра съест достаточно материала и наберет достаточную массу, она внезапно начнет выделять много энергии, вызывая вымирание.
«Мы предполагаем, что как только галактика достигнет определенной массы, 100 миллиардов солнечных масс, в какой-то момент она вся исчезнет», — сказал Белли. «Мы не видим каких-либо массивных галактик, которые все еще образуют звезды в сегодняшней Вселенной».
Чрезвычайно большой телескоп для дальнейших исследований.
Дополнительные ответы могут дать новые телескопы, такие как Европейский чрезвычайно большой телескоп (ELT), который строится в Чили и начнет наблюдения в 2028 году.
«ELT позволяет нам детально рассмотреть внутреннюю часть этих галактик в ранней Вселенной», — сказал Белли, на что JWST не способен.
Это даст исследователям информацию об общей скорости звездообразования, а также о том, «где формируются звезды», сказал он. «Если ELT будет работать так, как обещано, это будет очень круто».
Определение механизма процесса удаления будет иметь решающее значение для разгадки загадки того, почему умирают галактики – темы, которая продолжает озадачивать ученых.
«Это не должно быть возможно, потому что если галактика находится в ранней Вселенной, она заполнена газом», — сказал Тофт.
«Как перейти от производства тысяч солнечных масс в год к нулю? Если мы хотим доказать, что за это ответственны черные дыры, нам нужно найти галактики, которые находятся в процессе закрытия».
Благодаря этому пониманию мы узнаем, как возник космос, каким мы его видим сегодня.
Информация от: Horizon: журнал ЕС по исследованиям и инновациям.
