Ось чому так багато масивних галактик на ранніх етапах Всесвіту припинили формувати зірки

Як наші потужні телескопи проникають у завісу часу, астрономи стикаються з низкою заплутаних спостережень давнього Всесвіту. Читачі Universe Today знайомі з надмасивними чорними дірами, які виявив JWST, і з тим, як вони ставлять під сумнів наше розуміння зростання чорних дір.

Але є й інші загадки.

Одна з найзаплутаніших стосується деяких з найбільш масивних галактик на ранніх етапах Всесвіту і того, чому вони так швидко припинили створювати нові зірки. Астрономи називають ці галактики масивними квазіцентрами (MQ). Розуміння їх передчасного гасіння допоможе створити більш точне уявлення про Всесвіт і його численні взаємодіючі процеси.

Згідно з спостереженнями, деякі ранні масивні галактики, які сформувалися через 3 або 4 мільярди років після Великого вибуху, припинили виробництво зірок лише приблизно через 1 мільярд років після їх формування. Це дивно, і здається ще дивнішим у порівнянні з Чумацьким Шляхом, який має більше 13 мільярдів років і все ще виробляє зірки, хоча й повільно. Що відбувається з MQ, що душить їх формування зірок?

Дослідники з Інституту астрономії, геофізики та атмосферних наук Університету Сан-Паулу, разом з колегами з Данії, Нідерландів та Великої Британії, вважають, що визначили причину цього передчасного гасіння.

Їхня робота опублікована в журналі Astronomy and Astrophysics і має назву "Зв'язок між пиловими зіркоутворюючими галактиками та першими масивними гаснучими галактиками". Головний автор — Пабло Арая-Арая, постдок у відділі космічних досліджень і технологій, астрофізики та атмосферної фізики Технічного університету Данії.

MQ вважалися рідкісними, хоча різні дослідження виявили різну кількість. Але з моменту запуску JWST було виявлено ще більше з них, що підвищило напругу між спостереженнями та теорією. Потужні симуляції, такі як IllustrisTNG, недооцінюють кількість MQ на порядок величини, підкреслюючи той факт, що наші моделі не є завершеними. Замість того, щоб їхні надії були зруйновані, вчені приймають такі результати, оскільки це показує їм, де ще потрібно працювати.

"Галактики з високим червоним зсувом (z ≳ 2) масивні квазіцентри (MQ) надають можливість дослідити ключові фізичні процеси, що керують живленням і гасінням формування зірок у ранньому Всесвіті," пишуть автори. Розуміння процесів, що стоять за цим, може залежати від вивчення ще одного типу галактики з високим червоним зсувом. "Спостережні дані свідчать про можливий еволюційний зв'язок між MQ і пиловими зіркоутворюючими галактиками (DSFG), ще однією екстремальною популяцією з високим червоним зсувом."

Це GS-9209, виявлена JWST. Це масивна гаснуча галактика, яка припинила формування зірок лише приблизно через 1,25 мільярда років після Великого вибуху. Джерело зображення: NASA/ESA/CSA JWST

"Ми зосередилися на двох, здавалося б, різних популяціях: пилових зіркоутворюючих галактиках [DSFG] та масивних квазіцентрах [MQ]," сказав Лаерте Содре Юніор у прес-релізі. Він є професором на пенсії та науковим керівником головного автора дослідження, Пабло Арая-Арая. "Вони швидко формувалися та припинили виробництво зірок протягом перших кількох мільярдів років історії Всесвіту."

DSFG є протилежністю MQ. ALMA виявила тисячі DSFG і вивчила їх наскільки це можливо. Вони є продуктивними зіркоутворювачами, і можуть виробляти до 500 сонячних мас зірок на рік, у порівнянні з одним сонячним масою на рік у Чумацькому Шляху. Хоча DSFG приховані в товстому пилу, який блокує оптичне світло, вони є надзвичайно яскравими в інфрачервоному та субміліметровому діапазонах, які можуть проникати через весь цей пил.

Дослідники розробили моделі, які намагаються пояснити як MQ, так і DSFG, але в цих моделях існує тенденція до проблем. "Ця тенденція — де моделі, які відтворюють MQ на високому червоному зсуві, зазвичай недооцінюють DSFG, і навпаки — виявляє постійну напругу в моделях формування галактик," пояснюють дослідники. "Це свідчить про те, що фізичні механізми, необхідні для ефективних пилозатінених зіркових спалахів, можуть суперечити тим, що потрібні для швидкого гасіння та формування MQ."

Щоб дізнатися, що відбувається, і вирішити напругу, дослідники запустили нову модель формування галактик на симуляції Millennium. "Для цієї роботи ми використали цю нову модель, щоб дослідити предків MQ на z > 2 і фізичні механізми, які призводять до їх гасіння," пишуть дослідники.

Ця нова модель дала кращий збіг між спостережуваними кількостями як MQ, так і DSFG, що підсилює її результати. Результати показують, що більшість MQ — від 86% до 96% — спочатку проходили фазу як DSFG. "Отже, в нашій моделі предки більшості MQ є DSFG," пишуть автори. Дослідники також виявили, що найбільш масивні MQ були найяскравішими під час їх фази DSFG.

Основні злиття галактик, які підвищують як супернову, так і AGN зворотний зв'язок, а також формування зірок, відповідальні за це, згідно з дослідниками. "Ранне велике злиття визначає еволюційні шляхи, якими слідує загальна популяція DSFG і предки MQ з високим червоним зсувом," пишуть автори. Ці злиття не тільки створюють зіркові спалахи, вони є основним двигуном зростання надмасивних чорних дір та активних галактичних ядер.

"Злиття двох галактик зосередило великі обсяги газу в ядрі, одночасно викликавши екстремальний спалах формування зірок і інтенсивне живлення надмасивної чорної діри," підсумував Содре. "У цьому процесі холодний газ швидко споживається, тоді як енергія, що вивільняється активним ядром, нагріває навколишній газ, запобігаючи його охолодженню та повторному включенню в галактику, блокуючи постачання сировини для нових зірок і зупиняючи формування зірок менш ніж за один мільярд років," пояснив Содре.

Ця фігура показує DSFG на трьох різних червоних зсувів. Вона показує "Кумулятивну частку пилових зіркоутворюючих галактик (DSFG), вибраних на z = 3.4, 4.3 та 5.5 (зліва направо), які стають масивними та квазіцентрами в залежності від червоного зсуву," пояснюють автори. Кожна кольорова лінія є різною щільністю потоку субміліметрів, тоді як "Сіра лінія вказує на частку DSFG, які були акредитовані більш масивною галактикою," пишуть автори. Загалом, це показує, що яскравіші DSFG стають гаснучими швидше, ніж менш яскраві. Джерело зображення: Araya-Araya et al. 2026. A&A. https://doi.org/10.1051/0004-6361/202557426

"У цьому контексті події злиття можуть одночасно підвищувати як зворотний зв'язок супернови (SN), так і AGN," пишуть автори, і це є ключовим відкриттям. Злиття генерують зірковий спалах, який проявляється як інфрачервоні та субміліметрові DSFG. Але потім зворотний зв'язок SN і AGN гасить формування зірок.

"Ми виявили, що швидке гасіння MQ з високим червоним зсувом викликане ранніми злиттями, які призводять до надмірно масивних SMBH відносно зоряної маси предків MQ. Відповідно, для гасіння формування зірок у цих системах потрібно менше енергії зворотного зв'язку AGN," пояснюють дослідники.

Більшість галактик не слідують цьому шляху. Вони ростуть повільно, більш обережними шляхами. Їх газ споживається повільніше, і їх зникнення відбувається пізніше. Для них великі злиття відбуваються пізніше в їх еволюції, і ефекти не є такими вираженими.

Все ще існують розбіжності між цією моделлю та спостереженнями. У деяких аспектах вона не відповідає спостереженням. По-перше, вона не може відтворити кількість MQ, які JWST виявив у своїх останніх спостереженнях. "Ми спостерігаємо набагато більше галактик з субміліметровими випромінюваннями, ніж ми передбачали," сказав Содре.

Але наукові результати не повинні бути ідеальними, щоб бути продуктивними. Ці результати будуть використані для подальших спостережень і моделювання в майбутньому, і з часом наше розуміння еволюції галактик також буде еволюціонувати.