JWST odkrywa M1149-BSG-z5: najodleglejszą galaktykę spiralną z poprzeczką, jaką kiedykolwiek zaobserwowano

Gwiazdy rodzą się w zawrotnym tempie. Galaktyka znajduje się na głównej sekwencji gwiazdotwórczej galaktyk (głównej ścieżce formowania gwiazd) dla swojego przesunięcia ku czerwieni, a nawet nieco powyżej niej. Tempo powstawania nowych gwiazd wynosi około 144 mas Słońca rocznie . Co istotne, gwiazdy aktywnie formują się zarówno w obszarze poprzeczki, jak i w ramionach spiralnych.

Aktywne jądro, ale mała czarna dziura. W centrum galaktyki znajduje się aktywna supermasywna czarna dziura (AGN – aktywne jądro galaktyki). Jest ona jednak zaskakująco mała w stosunku do masy gwiazdowej galaktyki – stosunek masy czarnej dziury do masy gwiazd wynosi około 0,001, podczas gdy w typowych lokalnych galaktykach sięga 0,1–0,2% . Metaliczność galaktyki (zawartość pierwiastków cięższych od helu) wynosi około 50% metaliczności Słońca , co jest typowe dla tak wczesnego okresu we Wszechświecie.

Dlaczego to odkrycie wstrząsa ewolucją galaktyk?

M1149-BSG-z5 to nie tylko nowy rekord. Samo istnienie w pełni ukształtowanej galaktyki spiralnej z poprzeczką zaledwie 1,1 miliarda lat po Wielkim Wybuchu podważa ugruntowane modele ewolucji galaktyk .

Standardowe symulacje kosmologiczne zakładały, że poprzeczki – te jasne, liniowe pasma gwiazd i gazu przecinające centra galaktyk spiralnych – potrzebują kilku miliardów lat, by się uformować i ustabilizować. Model ten zakładał, że dysk galaktyki musi najpierw osiągnąć stan względnego spokoju i rotacyjnej równowagi, zanim niestabilności grawitacyjne będą mogły doprowadzić do powstania poprzeczki. Uważano, że dzieje się to głównie po przesunięciu ku czerwieni z ≈ 1–2 (czyli około 6–10 miliardów lat po Wielkim Wybuchu).

M1149-BSG-z5 rozbija tę oś czasu. Pokazuje, że dobrze zdefiniowane zgrubienie centralne (bulge), poprzeczka i dysk – czyli strukturalnie dojrzała galaktyka – istniały nieco ponad miliard lat po kosmicznym świcie . To najnowsze z serii odkryć JWST (w tym CEERS-2112 przy z ≈ 3 i COSMOS-74706 przy z ≈ 4 ), które wymuszają przepisanie podręczników.

Jak mogła powstać tak szybko?

Zespół badawczy proponuje dwa główne mechanizmy, najprawdopodobniej działające jednocześnie :

1. Niestabilność grawitacyjna w bogatym w gaz, zdominowanym przez materię barionową dysku. We wczesnym Wszechświecie galaktyki były znacznie bogatsze w gaz i bardziej turbulentne niż dzisiaj. W gęstym, zimnym i bogatym w gaz dysku, którego centralny obszar jest zdominowany przez zwykłą materię (barionową), a nie ciemną materię, mogą szybko zadziałać niestabilności grawitacyjne. Mogą one doprowadzić do powstania poprzeczki w skali zaledwie kilkuset milionów lat – bez potrzeby uprzedniego istnienia dojrzałego dysku gwiazdowego.

2. Oddziaływania środowiskowe. M1149-BSG-z5 znajduje się w polu gromady galaktyk MACS J1149+2223 – obszarze o wyższej niż przeciętna gęstości galaktyk. Spektroskopia JWST ujawnia bliskiego sąsiada o podobnym przesunięciu ku czerwieni . Oddziaływania pływowe lub mniejsze połączenia z takimi towarzyszami mogły wywołać lub przyspieszyć powstawanie poprzeczki.

Autorzy konkludują, że najbardziej prawdopodobna jest kombinacja obu ścieżek: dysk zdominowany przez materię barionową i bogaty w gaz szybko stał się niestabilny, a proces ten został wspomagany przez łagodne oddziaływania środowiskowe .

Nowy rekord i co dalej?

M1149-BSG-z5 przy z = 5,102 bije poprzednich rekordzistów:

• CEERS-2112 przy z ≈ 3 (około 2,1 miliarda lat po Wielkim Wybuchu)
• COSMOS-74706 przy z ≈ 4 (około 1,5 miliarda lat po Wielkim Wybuchu)

Każde kolejne odkrycie JWST przesuwa epokę powstawania poprzeczek coraz wcześniej. Trend ten sugeruje, że dobrze uporządkowane galaktyki dyskowe – w tym spirale z poprzeczkami, takie jak nasza Droga Mleczna – mogą być powszechne znacznie wcześniej w kosmicznej historii, niż ktokolwiek przewidywał.

Następnym krokiem jest potwierdzenie wyniku dodatkową spektroskopią oraz poszukiwanie jeszcze wcześniejszych galaktyk z poprzeczkami. Jeśli poprzeczki mogą formować się tak szybko, JWST wkrótce może znaleźć je przy z > 6 – co leży w zasięgu jego możliwości obserwacyjnych.

Podsumowując

M1149-BSG-z5 to najodleglejsza galaktyka spiralna z poprzeczką, jaką kiedykolwiek znaleziono. Istniała nieco ponad miliard lat po Wielkim Wybuchu, a jej szybkie uformowanie podważa nasze rozumienie tego, jak galaktyki budują swoją strukturę. Odkrycie wskazuje na bogate w gaz, turbulentne procesy, które są w stanie złożyć dojrzałe galaktyki znacznie szybciej, niż pozwalały na to modele. Klasyczny obraz, w którym poprzeczki są późnym zjawiskiem, nie jest już do utrzymania – a JWST dopiero zaczyna swoją pracę.