Космічний рекорд: JWST знайшов найдавнішу спіральну галактику з перемичкою

Інтенсивне зореутворення. M1149-BSG-z5 знаходиться на головній послідовності галактик, що формують зорі, або вище неї для свого червоного зміщення. Темп зореутворення становить приблизно 144 сонячних маси на рік — галактика будує нові зорі з неймовірною швидкістю . Як область перемички, так і спіральні рукави активно продукують зорі.

Активне ядро галактики. Центральна надмасивна чорна діра, схоже, активна, але вона напрочуд мала відносно зоряної маси галактики — співвідношення маси чорної діри до зоряної маси становить близько 0,001, тоді як у сучасних галактиках воно зазвичай становить 0,1–0,2% . Металевість цієї галактики становить близько 50% від сонячної .

Чому це відкриття змінює уявлення про еволюцію галактик

Це не просто новий рекорд. Існування повністю сформованої спіральної галактики з перемичкою на z = 5,102 безпосередньо кидає виклик усталеним моделям еволюції галактик .

Стандартні космологічні симуляції передбачали, що зоряним перемичкам — тим яскравим лінійним структурам із зір і газу, що перетинають центри спіральних галактик, — потрібні кілька мільярдів років, щоб сформуватися та стабілізуватися. Вважалося, що диск галактики спочатку повинен стати відносно спокійним і обертатися, перш ніж гравітаційна нестабільність зможе спричинити утворення перемички. Вважалося, що це відбувається переважно після z ≈ 1–2 (тобто через 6–10 мільярдів років після Великого вибуху).

M1149-BSG-z5 руйнує цю хронологію. Вона демонструє добре окреслене балдж, перемичку та диск — структурно зрілу галактику — через трохи більше ніж мільярд років після космічного світанку . Це останнє з серії відкриттів JWST (включно з CEERS-2112 на z ≈ 3 та COSMOS-74706 на z ≈ 4 ), які змушують переписувати історію.

Як вона могла сформуватися так рано?

Дослідницька група пропонує два основні механізми, які, ймовірно, діяли разом :

1. Гравітаційна нестабільність у багатому на газ диску, де домінує баріонна матерія. У ранньому Всесвіті галактики були набагато багатшими на газ і турбулентнішими, ніж сьогодні. У щільному, холодному та багатому на газ диску, де центральна область складається переважно зі звичайної (баріонної) матерії, а не темної, можуть виникати швидкі гравітаційні нестабільності. Вони можуть спричинити утворення перемички за проміжок часу лише в кілька сотень мільйонів років — без необхідності попередньо сформованого, зрілого зоряного диска.

2. Вплив оточення. M1149-BSG-z5 була знайдена в полі скупчення галактик MACS J1149+2223 — регіоні з вищою за середню щільністю галактик. Спектроскопія JWST виявила сусідню галактику на подібному червоному зміщенні . Припливні взаємодії або невеликі злиття з такими компаньйонами могли спровокувати або прискорити формування перемички.

Автори роблять висновок, що найбільш імовірним сценарієм є комбінація: диск, багатий на газ, де домінує баріонна матерія, швидко став нестабільним, з деякою допомогою від взаємодій із космічним оточенням .

Новий рекорд і що далі

M1149-BSG-z5 на z = 5,102 тепер перевершує попередніх рекордсменів:

• CEERS-2112 на z ≈ 3 (близько 2,1 млрд років після Великого вибуху)
• COSMOS-74706 на z ≈ 4 (близько 1,5 млрд років після Великого вибуху)

Кожне відкриття JWST відсуває епоху формування перемичок усе далі в минуле. Тенденція свідчить про те, що впорядковані дискові галактики, включно зі спіральними з перемичками, такими як наш Чумацький Шлях, можуть бути звичним явищем набагато раніше в космічній історії, ніж хто-небудь прогнозував.

Наступним кроком є підтвердження результату за допомогою додаткової спектроскопії та пошук ще більш ранніх галактик із перемичками. Якщо перемички можуть формуватися так швидко, JWST може незабаром знайти їх на z > 6 — що цілком у межах його спостережних можливостей.

Висновок

M1149-BSG-z5 — це найвіддаленіша спіральна галактика з перемичкою, яку коли-небудь знаходили, і вона існувала лише через мільярд років після Великого вибуху. Її швидке формування кидає виклик нашому розумінню того, як галактики будують свою структуру, вказуючи на багаті газом, турбулентні процеси, здатні зібрати зрілі на вигляд галактики набагато швидше, ніж дозволяли моделі. Класичне уявлення про те, що перемички є пізньою формою еволюції, більше не витримує критики — і JWST лише починає свою роботу.