Поведение галактик в ранней Вселенной привлекает большое внимание исследователей. Фактически, все, что касалось ранней Вселенной, по очевидным причинам находится под пристальным вниманием ученых. Но в отличие от первых звезд Вселенной, которые все давно умерли, галактики, которые мы видим вокруг нас, включая нашу собственную, были здесь с первых дней.
Современное научное мышление гласит, что в первые дни существования Вселенной галактики росли медленно, и потребовались миллиарды лет, чтобы стать тем, чем они являются сейчас. Но новые наблюдения показывают, что это может быть не так.
Новые наблюдения взяты из обзора под названием АЛЬПИЙСКИЙ (Большая программа ALMA по исследованию C + в ранние времена). ALPINE - это программа, изучающая свойства газа и пыли молодых галактик на ранней стадии роста на красные смещения z = 4-6.
«К нашему удивлению, многие из них оказались намного более зрелыми, чем мы ожидали».
Андреас Фейсст, IPAC в Калифорнийском технологическом институте
Обзор показал, что многие галактики пережили скачок роста между 1 и 1,5 миллиардами лет после Большого взрыва. Во время этого скачка роста галактики приобрели значительное количество своей звездной массы и пыли. Они также превратились в спиральные галактики, которые мы видим сегодня, и приобрели содержание тяжелых элементов.
В обзоре ALPINE международная группа астрономов изучила 118 из этих ранних галактик, которые претерпели скачки роста.
Андреас Фейсст - один из исследователей, вовлеченных в ALPINE. Фейсст - исследователь Центра обработки и анализа инфракрасного излучения (IPAC) Калифорнийского технологического института (Caltech), а также ведущий исследователь ALPINE в США. В пресс-релиз , он сказал: «К нашему удивлению, многие из них оказались намного более зрелыми, чем мы ожидали».
В рамках проекта ALPINE исследуются галактики, которые находятся между 1 и 1,5 миллиардами лет после Большого взрыва. В этом возрасте галактики находятся в переходной фазе от изначальной к зрелой. Фаза перехода имеет решающее значение для понимания того, как формировались и развивались галактики. Кредит изображения: ALPINE
Тяжелый элемент, содержащий пыль в галактике, - это то, что отличает молодые галактики от зрелых галактик. Только зрелые галактики содержат больше пыли и металлов, потому что они являются побочным продуктом умирающих звезд. Молодые галактики не существовали достаточно долго, чтобы поколения звезд умирали и образовывали пыль и металлы.
Когда исследователи посмотрели на 118 молодых галактик, они были удивлены, увидев такое количество пыли и металличность. Их присутствие указывало на то, что звездной активности уже было больше, чем предполагалось. «Мы не ожидали увидеть в этих далеких галактиках столько пыли и тяжелых элементов, - сказал Фейсст.
Даниэль Шерер из Женевского университета - еще один ученый, связанный с ALPINE. «Из предыдущих исследований мы поняли, что такие молодые галактики бедны пылью», - сказал Шерер. «Однако мы обнаруживаем, что около 20 процентов галактик, собранных в эту раннюю эпоху, уже очень пыльные, и значительная часть ультрафиолетового света от новорожденных звезд уже скрыта этой пылью», - добавил он.
Это две галактики в ранней Вселенной, которые ALMA наблюдала с помощью радиоволн. Галактики считаются более «зрелыми», чем «изначальными», потому что они содержат большое количество пыли (желтый). ALMA также обнаружил газ (красный), который используется для измерения скрытого звездообразования и движения в галактиках.
Предоставлено: Б. Сакстон NRAO / AUI / NSF, ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), команда ALPINE.
Другой вопрос о ранних галактиках - когда они установили вращение и как скоро это повлияло на их структуру. Спиральные галактики, подобные нашему Млечному Пути, вращаются, и это создает спиральную структуру. Многие из исследованных галактик имели признаки дисков с опорой на вращение и различных структур.
Это противоречит ожиданиям.
Согласно общепринятому мнению, ранние галактики должны быть более хаотичными и беспорядочными. Частые галактические столкновения и слияния должны были предотвратить появление такой большой структуры в столь юном Вселенском возрасте. «Мы видим множество сталкивающихся галактик, но мы также видим, что некоторые из них вращаются упорядоченно без признаков столкновений», - сказал Джон Сильверман из Института физики и математики Вселенной Кавли в Японии.
Художник изображает очень пыльную галактику в ранней Вселенной, на которой видны первые признаки диска с опорой на вращение. На этом изображении красный цвет представляет газ, а синий / коричневый представляет пыль, видимую в радиоволнах с помощью ALMA. Согласно оптическим данным VLT и Subaru, на заднем плане видны многие другие галактики.
Авторы и права: Б. Сакстон NRAO / AUI / NSF, ESO, NASA / STScI; NAOJ / Subaru
Астрономы наблюдали далекие галактики этого периода раньше, например МАМБО-9 и диск Вульфа. МАМБО-9 очень пыльный, а Диск Вульфа имеет вращающийся диск, поэтому они были ключом к разгадке того, что галактики могут созревать быстрее, чем предполагалось. Но они, возможно, были выбросами, и потребовалось более крупное исследование, такое как ALPINE, чтобы дать исследователям более четкую картину.
Впечатление художника о Диске Вульфа, массивной вращающейся дисковой галактике в ранней пыльной Вселенной. Галактика была первоначально обнаружена, когда ALMA исследовал свет от более далекого квазара (вверху слева). Предоставлено: NRAO / AUI / NSF, С. Дагнелло.
Но даже несмотря на то, что ALPINE идентифицировала горстку этих раннеспелых, астрономы до сих пор не знают, как они выросли так быстро и почему у некоторых из них есть вращающиеся диски в таком молодом возрасте.
ДУША (Большой миллиметровый / субмиллиметровый массив Atacama) сыграл огромную роль в этой работе. Это чрезвычайно мощный радиотелескоп, и это то, что нужно, чтобы увидеть эти далекие галактики. Хотя многие из этих галактик в основном невидимы в оптическом и инфракрасном свете, они могут довольно ярко светить в миллиметровом и субмиллиметровом излучении. В то время как оптическое и инфракрасное излучение не может проникнуть через пыльные области, где образуются звезды, или движение газа в этих галактиках, ALMA может. Фактически, оптические и инфракрасные телескопы иногда пропускают целые галактики.
«С помощью ALMA мы впервые обнаружили несколько далеких галактик. Мы называем их 'Хаббл-темными', поскольку их невозможно обнаружить даже с помощью телескопа 'Хаббл', - сказал Линь Ян из Калифорнийского технологического института.
Три тарелки, составляющие большой миллиметровый / субмиллиметровый массив Атакамы (ALMA). Кредит изображения: Х. Кальдерон - ALMA (ESO / NRAO / NAOJ)
Команда намерена и дальше использовать силу ALMA, чтобы попытаться понять, почему эти молодые галактики стали такими зрелыми. В то время как ALPINE был обзором, в котором использовалось 70 часов наблюдательного времени, они хотели бы использовать ALMA для наблюдения за отдельными галактиками в течение более длительных периодов времени. «Мы хотим точно видеть, где находится пыль и как движется газ. Мы также хотим сравнить пыльные галактики с другими галактиками, находящимися на таком же расстоянии, и выяснить, может ли быть что-то особенное в их окружении », - добавил Паоло Кассата из Университета Падуи в Италии, ранее работавшего в Университете Вальпараисо в Чили.
Конечно, ALMA не справится с этой работой в одиночку. ALPINE - крупнейший обзор такого типа, в котором для изучения галактик в ранней Вселенной использовались несколько телескопов на разных длинах волн. Был использован целый парк оптических прицелов, включая Хаббл, Кек и VLT. А также Спитцера Также использовались возможности инфракрасного порта. Невозможно понять историю далеких галактик без наблюдений на разных длинах волн.
«Такое большое и сложное исследование возможно только благодаря сотрудничеству между несколькими институтами по всему миру», - сказал Матье Бетермин из Лаборатории астрофизики Марселя во Франции.