ALMA разгадывает загадку древних эллиптических галактик
Согласно доминирующим ранее космологическим моделям, когда возраст Вселенной составлял около 10% от настоящего, в ней только начинали формироваться первые галактики. Астрономы ожидали увидеть там хаотичные, нестабильные галактики, активно потребляющие газ для производства новых звезд. Однако реальность, как это часто бывает, преподнесла сюрприз: наблюдения последних лет упорно демонстрируют присутствие в ранней Вселенной массивных эллиптических галактик со старыми звездами и почти полным отсутствием запасов газа для дальнейшего роста. Как такие структуры могли сформироваться так быстро, стало одной из самых интригующих загадок астрофизики.
Международная группа исследователей под руководством Николауса Зульценауэра и Акселя Вайсса из Института радиоастрономии имени Макса Планка (MPIfR) совершила настоящий прорыв, сумев не просто обнаружить, а детально рассмотреть механизмы этого феномена. Используя мощь Атакамской большой миллиметровой/субмиллиметровой антенной решетки (ALMA), ученые обратили свой взор на объект SPT2349-56 — рекордсмена по интенсивности звездообразования, расположенный в южном созвездии Феникса. Это протоскопление галактик, запечатленное в том самом возрасте, когда Вселенной было всего 1,4 миллиарда лет, стало идеальной лабораторией для изучения «раннего детства» гигантских эллиптических структур.
Ключевой вывод исследования, опубликованного в The Astrophysical Journal, переворачивает традиционное представление о медленном иерархическом росте галактик. Оказывается, вместо того чтобы набирать массу постепенно на протяжении миллиардов лет, некоторые галактики способны формироваться в результате стремительного коллапса. «Вместо того чтобы медленно наращивать массу в течение 14 миллиардов лет, массивная эллиптическая галактика может быстро возникнуть всего за несколько сотен миллионов лет», — объясняет Зульценауэр. Этот процесс больше напоминает не плавное развитие, а единовременный гравитационный обвал крупной первичной структуры, который укладывается во временной промежуток, за который Солнце совершает лишь один оборот вокруг центра Млечного Пути.
В самом сердце протоскопления SPT2349-56 царит невероятная активность. Астрономы обнаружили там четыре тесно взаимодействующие галактики, где звезды рождаются с поистине космической скоростью: как отмечает Райли Хилл из Университета Британской Колумбии, новая звезда появляется там каждые 40 минут. Для сравнения, наш Млечный Путь, чтобы произвести на свет три или четыре звезды, тратит целый год. Этот всплеск звездообразования, видимый в дальнем инфракрасном и миллиметровом диапазонах, вызван колоссальным сжатием газа в гравитационной ловушке первичного скопления.
Однако наиболее захватывающим открытием стали не сами галактики, а их «космическое окружение». Гравитационное взаимодействие квартета порождает гигантские приливные рукава — потоки вещества, выброшенные со скоростью 300 километров в секунду и простирающиеся на расстояния, значительно превышающие размеры Млечного Пути. Эти структуры, напоминающие «бусинки на нитке», ярко светятся в субмиллиметровом диапазоне благодаря ударным волнам, возбуждающим ионизированные атомы углерода. Именно это свечение позволило ученым с беспрецедентной точностью измерить движение газа в гравитационно выброшенных спиральных рукавах.
Самое удивительное, что эти «бусины» приливных обломков связаны с цепочкой из двух десятков других сталкивающихся галактик на периферии коллапсирующей структуры. Это указывает на общее происхождение всех этих объектов и позволяет астрономам впервые наблюдать начало каскадной трансформации путем слияний. Согласно построенным моделям, большинство из 40 богатых газом галактик в этом ядре обречены. Они будут разрушены и сольются в единую гигантскую эллиптическую галактику менее чем за 300 миллионов лет — относительно недолго по космическим меркам.
Это открытие не только демонстрирует важность одновременных крупномасштабных слияний в формировании массивных галактик, но и проливает свет на другие загадки, например, на распространение тяжелых элементов вроде углерода в межгалактическом пространстве. Впрочем, ученые признают, что полное понимание процесса еще впереди.
Взаимодействие ударных волн от слияний, нагрев газа при росте сверхмассивных черных дыр и их влияние на способность галактик формировать новые звезды остаются большими вопросами. Тем не менее, наблюдая за протоскоплением SPT2349-56, астрономы смогли впервые напрямую связать бурные процессы в ранней Вселенной с рождением тех величественных эллиптических галактик, которые мы видим в современных скоплениях.