Формирование галактик во Вселенной должно происходить довольно простым способом. Всё начинается с маленьких галактик, которые затем становятся всё больше и больше, пока не превращаются в гигантские галактики, которые мы видим в современной Вселенной, например, в наш Млечный Путь.
Но это не совсем верно для определённого класса эллиптических галактик — огромных сферических скоплений звёзд без чёткой структуры. С помощью финансирования из ЕС исследователи решили выяснить происхождение этих галактик и раскрыть больше тайн Вселенной.
Для этого они отправились в прошлое, используя мощные телескопы, которые могут улавливать свет в отдалённых уголках Вселенной. Это позволило учёным увидеть галактики такими, какими они были в прошлом, даже миллиарды лет назад.
«Галактики — это маяки Вселенной. Они — истоки всего», — сказал Суне Тофт, космолог из Института Нильса Бора в Дании. «Понимание детальных сценариев формирования — единственный способ понять, как возникла Вселенная и откуда мы пришли».
С 2015 по 2021 год Тофт руководил проектом ConTExt, финансируемым ЕС. Целью было наблюдение за некоторыми из самых древних эллиптических галактик, которые существовали в первые 2 миллиарда лет из 13,8-миллиардной истории Вселенной.
Путешествия во времени в отдаленные темные уголки: ответов пока нет
Хотя исследователи получили некоторое представление о эллиптических галактиках, они остаются загадкой.
«Они известны уже много лет, но то, как они формируются, остаётся загадкой, потому что в локальной вселенной они одинаково старые и мёртвые», — сказал Тофт.
Идея, лежащая в основе его исследования, заключалась в следующем: если мы будем смотреть в прошлое, наблюдая за галактиками, находящимися на расстоянии миллиардов световых лет, то в какой-то момент мы должны будем увидеть прародителей этих галактик и объяснить, как они смогли стать такими массивными.
«Но чем дальше мы смотрели, тем старше и мёртвее они казались. В них практически не происходит звездообразование,» — сказал Тофт, имея в виду процесс, лежащий в основе эволюции галактик.
Это означало, что галактики должны были очень быстро расти в ранней Вселенной. Тем не менее, остаётся неизвестным, как именно и когда это произошло.
И есть ещё одна загадка: если галактики быстро росли, то почему они перестали расти? И что это значит для нашего понимания иерархической структуры галактик во Вселенной, которая состоит из звёзд, планетных систем, звёздных скоплений и галактик?
«Предполагается, что маленькие галактики формируются в первую очередь. Так почему же эти массивные галактики формируются в первую очередь?» — сказал Тофт.
Звездообразование
Его гипотеза заключалась в том, что в начале своей истории эти галактики могли подвергнуться интенсивному звездообразованию и стать так называемыми галактиками со вспышкой звездообразования.
В галактиках со вспышками звездообразования чрезвычайно много пыли и газа, и каждый год в них могут формироваться звёзды в тысячи раз массивнее нашего Солнца. Для сравнения, в нашем Млечном Пути в среднем ежегодно формируется одна новая звезда солнечной массы.
Используя телескоп в Чили под названием «Большая миллиметровая решётка Атакамы», а также космический телескоп «Хаббл» и космический телескоп «Спитцер», которые в то время находились на орбите Земли, Тофт приступил к работе.
Он обнаружил, что в первые 1–2 миллиарда лет после Большого взрыва «этих формирующих звёзды галактик было достаточно, чтобы превратиться в мёртвые галактики». Эти галактики были плотными и компактными и выглядели как ядра эллиптических галактик, которые мы видим сегодня.
Тофт исходил из предположения, что эти эллиптические галактики-прародительницы быстро сформировались во Вселенной до того, как что-то остановило процесс образования звёзд.
Затем, в течение следующих 10 миллиардов лет или около того, они постепенно накапливали всё больше звёзд, поглощая более мелкие галактики и добавляя их звёзды во внешние области своей галактики. Таким образом, эллиптические галактики оставались старыми и мёртвыми, но всё равно могли вырастать до огромных размеров.
Ранний рост эллиптических галактик, вероятно, был вызван слиянием галактик, которое запустило процесс звездообразования.
«Две крупные галактики сталкиваются лоб в лоб, и газ сжимается в центре этого столкновения, — сказал Тофт. — Это то, что нужно для очень высокой скорости образования звёзд».
Но что до сих пор было неясно, так это то, как эти галактики отключились. Как они перестали формировать звёзды так быстро и в итоге стали мёртвыми галактиками, которые мы видим сегодня?
Угасание
Сирио Белли, астроном из Болонского университета в Италии, исследует эту проблему в рамках своего проекта «Красный кардинал» — финансируемой ЕС инициативы, которая продлится с 2023 по 2028 год.
Мощный космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST), вращающийся вокруг Солнца, исследует эти ранние галактики так, как никогда раньше. Появляется идея, что чёрные дыры, обнаруженные в центрах этих галактик, ответственны за их эволюцию.
Почти все современные галактики, включая нашу, содержат в своём центре сверхмассивную чёрную дыру — огромный объект, масса которого в миллионы и миллиарды раз превышает массу нашего Солнца. Эти чёрные дыры управляют формированием и эволюцией галактик, перемешивая и выбрасывая газ и пыль на протяжении всей истории галактики.
Белли обнаружил, что эти чёрные дыры могут также отвечать за прекращение звездообразования в ранних галактиках в процессе, называемом подавлением.
В апреле 2024 года его команда с помощью JWST сообщила об открытии массивной галактики, которая гаснет примерно через 2,6 миллиарда лет после Большого взрыва. «Это счастливое совпадение, потому что мы наблюдали эту галактику именно в момент угасания», — сказал он.
До недавнего времени казалось, что галактика растёт. «Она просто перестала формировать звёзды», — сказал Белли.
«В то же время мы обнаружили гигантский ветер, исходящий из галактики. Мы думаем, что это связано с сверхмассивной чёрной дырой в центре галактики».
Идея заключается в том, что чёрная дыра стала чрезвычайно активной и «вытолкнула газ из галактики», — сказал Белли. «Таким образом, у вас не осталось газа для формирования новых звёзд. Это как автомобиль, у которого заканчивается топливо».
Неясно, почему именно чёрная дыра стала активной. Одна из возможных причин заключается в том, что, как только чёрная дыра поглощает достаточно материала и набирает достаточную массу, она внезапно начинает выделять много энергии, вызывая затухание.
«Мы считаем, что как только галактика достигает определённой массы — 100 миллиардов солнечных масс, — она в конечном итоге перестаёт формировать звёзды, — сказал Белли. — В современной Вселенной мы не видим ни одной массивной галактики, которая бы всё ещё формировала звёзды».
Чрезвычайно большой телескоп для дальнейшего исследования
Больше ответов можно будет получить с помощью новых телескопов, таких как Европейский чрезвычайно большой телескоп (ELT), который строится в Чили и должен начать наблюдения в 2028 году.
«С помощью ELT мы можем детально изучить эти галактики» в ранней Вселенной, — сказал Белли. — Этого JWST сделать не может».
Это позволит исследователям определить общую скорость образования звёзд, а также «место, где образуются звёзды», — сказал он. «Если ELT будет работать так, как обещано, это будет очень круто».
Определение механизма процесса затухания будет иметь решающее значение для разгадки тайны гибели галактик — вопроса, который продолжает ставить учёных в тупик.
«Этого не должно быть, потому что, когда галактика находится в ранней Вселенной, она заполнена газом», — сказал Тофт.
«Как можно перейти от формирования тысяч солнечных масс в год к их отсутствию? Если мы хотим доказать, что в этом виноваты чёрные дыры, мы должны найти галактики, которые находятся в процессе затухания».
Обладая этим знанием, мы поймём, как появился космос в том виде, в котором мы видим его сегодня.
Источник: Horizon: Европейский журнал исследований и инноваций
Дополнительные материалы
