Открытие трех галактических «красных монстров» в ранней Вселенной ставит под сомнение существующие модели формирования галактик

Международная группа специалистов под руководством Женевского университета (UNIGE) обнаружила три сверхмассивные галактики — почти такие же массивные, как Млечный Путь, — уже существовавшие в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва.

Это удивительное открытие стало возможным благодаря программе FRESCO космического телескопа Джеймса Уэбба, которая использует спектрограф NIRCam/grism для точного измерения расстояний и звездных масс галактик. Полученные результаты указывают на то, что образование звезд в ранней Вселенной было гораздо более эффективным, чем считалось ранее, что ставит под сомнение существующие модели формирования галактик. Исследование опубликовано в журнале Nature.

В теоретической модели, которой придерживаются ученые, галактики формируются постепенно внутри больших ореолов темной материи. Ореолы темной материи захватывают газ (атомы и молекулы) в гравитационно связанные структуры. Обычно в галактиках лишь около 20% этого газа превращается в звезды.

Однако новые данные опровергают эту точку зрения. Исследователи обнаружили, что массивные галактики в ранней Вселенной могли быть гораздо более эффективными в строительстве звезд, чем их более поздние собратья, и росли гораздо быстрее, чем считалось ранее.

Открытие «красных монстров

Беспрецедентные возможности JWST позволили астрономам систематически изучать галактики в очень далекой и ранней Вселенной и получить представление о массивных и запыленных галактиках. Проанализировав галактики в обзоре FRESCO, ученые обнаружили, что большинство источников соответствуют существующим моделям.

Однако они также обнаружили три удивительно массивные галактики со звездными массами, сравнимыми с современным Млечным Путем. Они формируют звезды почти в два раза эффективнее, чем их собратья с меньшей массой и галактики более позднего времени. Из-за высокого содержания пыли, которая придает им отчетливый красный цвет на снимках JWST, они были названы тремя «красными монстрами».

«Наши выводы меняют наше понимание формирования галактик в ранней Вселенной», — говорит доктор Менгюань Сяо, ведущий автор нового исследования и постдокторант кафедры астрономии факультета естественных наук UNIGE.

«Массивные свойства этих «красных монстров» практически не были определены до JWST, поскольку они оптически невидимы из-за ослабления пыли», — говорит доктор Давид Эльбаз, директор по исследованиям в CEA Paris-Saclay.

Важная веха в наблюдениях галактик

Международная команда разработала новую программу с помощью JWST для систематического анализа полной выборки галактик с эмиссионными линиями в течение первого миллиарда лет космической истории. Такой подход позволил команде получить точные оценки расстояния и надежные измерения звездной массы для всей выборки галактик.

«Наши результаты подчеркивают удивительную мощь спектроскопии NIRCam/grism», — объясняет Паскаль Оеш, доцент кафедры астрономии факультета естественных наук UNIGE, главный исследователь этой программы наблюдений.

«Прибор на борту космического телескопа позволит нам выявить и изучить рост галактик во времени и получить более четкое представление о том, как накапливается звездная масса на протяжении космической истории».

Слишком много и слишком массивных галактик в ранней Вселенной

Хотя эти результаты не противоречат стандартной космологической модели, они поднимают новые вопросы для теорий формирования галактик, в частности, проблему «слишком много и слишком массивных» галактик в ранней Вселенной.

Возможно, в существующих моделях необходимо рассмотреть уникальные процессы, которые позволили некоторым ранним массивным галактикам достичь столь эффективного звездообразования и, таким образом, сформироваться очень быстро в самом начале существования Вселенной. Будущие наблюдения с помощью JWST и Atacama Large Millimeter Array (ALMA) позволят получить дополнительные сведения об этих сверхмассивных красных монстрах и выявить более крупные выборки таких источников.

«Эти результаты показывают, что галактики в ранней Вселенной могли формировать звезды с неожиданной эффективностью», — заключает доктор Сяо. «По мере углубленного изучения этих галактик мы сможем получить новые сведения об условиях, формировавших самые ранние эпохи существования Вселенной. Красные монстры — это только начало новой эры в нашем исследовании ранней Вселенной».

В процессе дальнейших исследований ученые стремятся углубить наше понимание механизмов, стоящих за быстрым ростом этих загадочных галактик. Они предполагают, что условия в ранней Вселенной могли быть более хаотичными и динамичными, чем предполагалось ранее, что могло привести к неожиданно эффективному звездообразованию. Однако для окончательного подтверждения этих гипотез потребуется дальнейшее наблюдение и анализ данных, собранных не только с помощью JWST, но и с использованием других наземных и космических телескопов.

Наблюдения с помощью ALMA, наряду с дополнительными данными от космического телескопа Джеймса Уэбба, могут выявить больше о том, как пылевые и газовые облака в этих ранних галактиках способствовали их быстрому росту. Эти данные не только помогут уточнить модели формирования галактик, но и улучшат наше понимание того, как ранние условия влияли на химический состав и структуру этих галактик. Это, в свою очередь, поможет лучше понять процесс эволюции Вселенной и то, как современные галактики, такие как наш Млечный Путь, пришли к своему нынешнему состоянию.

Команда UNIGE и их международные партнеры намерены продолжать исследования, направленные на поиск и изучение других массивных галактик с высокой степенью зарытости пылью. Это позволит создать более комплексную картину формирования и эволюции галактик в ранние эпохи Вселенной. Как отмечает доктор Оеш, «каждое новое открытие ускоряет нашу гонку за пониманием первых страниц космической истории, и то, что мы видим сейчас, — это только начало этого увлекательного пути».”