За годы, предшествовавшие запуску JWST, попытки астрономов понять раннюю Вселенную столкнулись с упорным препятствием: свет ранней Вселенной имел крайнее красное смещение. JWST был построен с учетом экстремальных красных смещений, и одной из его целей было изучение формирования галактик.
Когда JWST активировал свой сегментированный бериллиевый глаз, стал виден самый старый, смещенный в красную сторону свет во Вселенной.
Свет, излучаемый первыми галактиками, не только слаб, но и растянут на миллиарды лет космического расширения. Галактики, излучающие этот свет, называются галактиками с большим красным смещением, причем красное смещение обозначается буквой z. Поскольку она смещена в красную область, увидеть ее могут только инфракрасные телескопы. Телескопы, такие как «Хаббл» и «Спитцер», могут видеть смещенный в красную сторону свет. Но у JWST гораздо больше возможностей, чем у его предшественников, что позволяет ему заглянуть глубже в прошлое.
«Использование сложных инструментов, таких как JWST, позволяет нам изучать более далекие галактики более детально, чем когда-либо прежде».
Ичэн Го, факультет физики и астрономии, Университет Миссури
Наблюдения показали, что галактики становятся больше в результате слияний и столкновений и что до 60% всех галактик являются спиральными галактиками. Но как проходил этот процесс? Когда образовались первые спиральные галактики? Ответ на этот вопрос влияет на другие нерешенные вопросы о галактиках.
Спиральные рукава являются местом активного звездообразования, при этом последующие поколения звезд производят более тяжелые элементы. Эти элементы способствуют образованию каменистых планет, а также являются предпосылкой для жизни. Таким образом, зная, когда образовались спиральные галактики, астрономы смогут лучше понять параметры звездообразования, образования скалистых планет и, возможно, даже возникновения жизни.
«Знание того, когда во Вселенной образовались спиральные галактики, является популярным вопросом в астрономии, поскольку оно помогает нам понять эволюцию и историю космоса».
Вики Кун, факультет физики и астрономии, Университет Миссури
Одним из направлений наблюдательной деятельности JWST является CEERS, научное исследование раннего выпуска космической эволюции. В рамках CEERS JWST стал первым телескопом, получившим изображения ранних галактик Вселенной. CEERS обнаружил самую далекую активную сверхмассивную черную дыру и галактики, существовавшие в далеком прошлом, когда возраст Вселенной составлял всего от 500 до 700 миллионов лет.
Новое исследование, опубликованное в The Astrophysical Journal Letters, изучило галактики CEERS, чтобы определить, сколько из этих древних галактик были спиральными галактиками. Заголовок таков: «JWST обнаруживает удивительно высокую долю спиральных галактик с размером 0,5 ≤ z ≤ 4». Первый автор — Вики Кун, аспирантка факультета физики и астрономии Университета Миссури.
«Раньше ученые считали, что большинство спиральных галактик сформировались примерно через 6–7 миллиардов лет после образования Вселенной», — сказал Ичэн Го, доцент кафедры физики и астрономии Университета Миссури в Миццоу и соавтор исследования. изучать. «Однако наше исследование показывает, что спиральные галактики были широко распространены уже 2 миллиарда лет спустя. Это означает, что формирование галактик произошло быстрее, чем мы думали ранее».
В своем исследовательском письме авторы исследовали 873 галактики из CEERS с красным смещением 0,5 ≤ z ≤ 4 и звездной массой ≤ 10.10 солнечные массы. Они обнаружили, что 216 из них имели спиральные структуры. «Эта доля удивительно высока и означает, что формирование спиральных рукавов и дисков произошло во Вселенной раньше», — пишут авторы в своей статье.
«Знание того, когда во Вселенной образовались спиральные галактики, является популярным вопросом в астрономии, поскольку оно помогает нам понять эволюцию и историю космоса», — сказал ведущий автор Кун. «Существует множество теоретических представлений о том, как формируются спиральные рукава, но механизмы образования могут быть разными для разных типов спиральных галактик. Эта новая информация поможет нам лучше сопоставить физические свойства галактик с теориями, создав более полную космическую хронологию».
Спиральные галактики начинались как газовые диски. Эти результаты в сочетании с другими исследованиями галактик с большим красным смещением рисуют картину истории эволюции галактик в ранней Вселенной. Динамически горячие газовые диски возникают при z = 4–5. Эти диски успокоились при z = 3–4 и стали динамически холодными газовыми дисками. Поскольку звезды образуются, когда газ охлаждается и слипается, большое количество динамически холодных звездных дисков появилось при z = 3–4, о чем свидетельствуют их спиральные рукава.
Это исследование также проливает свет на взаимоотношения между спиральными рукавами и другими подструктурами галактики. Богатые газом диски с высокими красными смещениями очень турбулентны, а гравитационная нестабильность образует огромные скопления звездообразования. Позже горячие звезды разгоняют скорости молодых галактик, заставляя их успокаиваться и становиться менее турбулентными. Эти выпуклости звездообразования также могут сливаться, помогая еще больше стабилизировать диски. Вывод состоит в том, что гравитационная нестабильность в первую очередь приводит к появлению спиральных рукавов, а сгустки играют второстепенную роль, поскольку они сосуществуют со спиралями при высоких красных смещениях.
Авторы отмечают в своей работе некоторые оговорки. Сливающиеся галактики могут выглядеть как спирали. Длинные хвосты, преобладающие при слияниях, могут выглядеть как спиральные рукава, поэтому их количество может немного отличаться. С другой стороны, спирали также могут выглядеть как слияния, что увеличивает неопределенность. «Эта ситуация более серьезна для галактик с z > 2, поскольку там скорость слияния, вероятно, выше», — пишут авторы.
Но эти факты, вероятно, не сильно влияют на вывод. «Наблюдаемая спиральная фракция уменьшается с увеличением красного смещения: от ~43% при z = 1 до ~4% при z = 3», – заключают исследователи. Таким образом, хотя спирали становятся все реже, чем дальше мы смотрим в прошлое, их все же было больше, чем считалось ранее.
«Используя сложные инструменты, такие как JWST, мы можем изучать более далекие галактики более детально, чем когда-либо прежде», — сказал Го. «Спиральные рукава галактики — это фундаментальная особенность, которую астрономы используют для классификации галактик и понимания того, как они формируются с течением времени. Хотя у нас все еще остается много вопросов о прошлом Вселенной, анализ этих данных поможет нам найти дополнительные подсказки и углубить наше понимание физики, которая сформировала природу нашей Вселенной».
