Самый далекий «Млечный Путь»: JWST нашел галактику-переростка в ранней Вселенной

Бурное звездообразование. M1149-BSG-z5 находится на так называемой «главной последовательности» звездообразующих галактик для своего красного смещения или даже выше нее. Темп звездообразования составляет приблизительно 144 солнечных массы в год . Это означает, что галактика формирует новые звезды с невероятной скоростью, и этот процесс активно идет как в области перемычки, так и в спиральных рукавах.

Необычное активное ядро. В центре галактики находится активная сверхмассивная черная дыра (АЯГ), но она удивительно мала по отношению к массе самой галактики. Соотношение массы черной дыры к звездной массе галактики составляет всего 0,001, тогда как в современных галактиках этот показатель обычно колеблется около 0,1–0,2% . Металличность (содержание элементов тяжелее водорода и гелия) составляет примерно 50% от солнечной .

Почему это открытие меняет взгляд на эволюцию галактик

Это не просто новый рекорд. Само существование полностью сформировавшейся спиральной галактики с перемычкой на красном смещении z = 5,102 напрямую бросает вызов устоявшимся моделям эволюции галактик .

Стандартные космологические симуляции предсказывали, что звездным перемычкам — тем ярким, вытянутым структурам из звезд и газа, пересекающим центры спиральных галактик, — требуется несколько миллиардов лет, чтобы сформироваться и стабилизироваться. Считалось, что сначала диск галактики должен «успокоиться» и перейти во вращательно-поддерживаемое состояние, и только потом гравитационная неустойчивость может создать перемычку. Считалось, что этот процесс происходит в основном после z ≈ 1–2 (то есть через 6–10 миллиардов лет после Большого взрыва).

M1149-BSG-z5 разрушает этот временной график. Она демонстрирует хорошо выраженные балдж (центральное уплотнение), перемычку и диск — то есть структурно зрелую галактику — всего через миллиард лет после космического рассвета . Это последнее в серии открытий JWST (включая CEERS-2112 на z ≈ 3 и COSMOS-74706 на z ≈ 4 ), которые вынуждают ученых переписывать историю формирования галактик.

Как она могла сформироваться так рано?

Исследователи предлагают два основных механизма, которые, скорее всего, работали в тандеме :

1. Гравитационная неустойчивость в газовом и барион-доминированном диске. В ранней Вселенной галактики были гораздо богаче газом и более турбулентными, чем сегодня. В плотном, холодном и богатом газом диске, центральная часть которого состоит в основном из обычного (барионного) вещества, а не из темной материи, могут быстро возникнуть гравитационные неустойчивости. Они способны создать перемычку всего за несколько сотен миллионов лет — без необходимости в предсуществующем, спокойном звездном диске.

2. Влияние окружения. M1149-BSG-z5 была обнаружена в поле скопления галактик MACS J1149+2223 — области с повышенной, по сравнению со средним, плотностью галактик. Спектроскопия JWST показывает наличие близкого соседа на аналогичном красном смещении . Приливные взаимодействия или небольшие слияния с такими компаньонами могли запустить или ускорить формирование перемычки.

Авторы заключают, что наиболее вероятный сценарий — это комбинация: барион-доминированный, богатый газом диск, который быстро стал нестабильным, с некоторой помощью со стороны мягких гравитационных взаимодействий в плотном окружении .

Новый рекорд и что дальше

Галактика M1149-BSG-z5 на z = 5,102 превзошла предыдущих рекордсменов:

• CEERS-2112 на z ≈ 3 (около 2,1 миллиарда лет после Большого взрыва)
• COSMOS-74706 на z ≈ 4 (около 1,5 миллиарда лет)

Каждое новое открытие JWST отодвигает эпоху формирования перемычек все дальше в прошлое. Тенденция говорит о том, что упорядоченные дисковые галактики, включая такие спиральные с перемычкой, как наш Млечный Путь, могли быть обычным явлением в космической истории гораздо раньше, чем кто-либо предполагал.

Следующий шаг — подтверждение результата дополнительной спектроскопией и поиск еще более ранних галактик с перемычками. Если перемычки могут формироваться так быстро, JWST вполне может найти их на красном смещении z > 6, что находится в пределах его наблюдательных возможностей.

Суть

M1149-BSG-z5 — самая далекая спиральная галактика с перемычкой из когда-либо найденных. Она существовала чуть более миллиарда лет после Большого взрыва и выглядит как структурно зрелая система. Ее быстрое формирование ставит под сомнение наши представления о том, как галактики строят свою структуру, указывая на то, что богатые газом и турбулентные процессы могут собирать зрелые на вид галактики гораздо быстрее, чем это допускали модели. Классическая картина, согласно которой перемычки — это явление поздних эпох, больше не является состоятельной. И JWST только начинает свою работу.