Спіральні Руки та Смуги: Галактичні Насоси для Формування Зірок

Формування зірок досягло свого піку під час Космічного полудня, приблизно через два-три мільярди років після Великого вибуху. У той час швидкість формування зірок (SFR) була до 100 разів вищою, ніж сьогодні. Щоб досягти такої високої SFR, газ повинен був ефективно циркулювати в галактиках.

Астрономи довгий час мали труднощі з цим фактом, оскільки вважалося, що ранні галактики були безладними і хаотичними внаслідок злиттів та турбулентності. Однак нові дослідження показують іншу картину. Вони вказують на те, що масивні дискові галактики зі смугами та спіральними руками ефективно переміщали холодний газ, що сприяло їх високій SFR.

Ці результати представлені у двох нових статтях. Перша стаття "Морфології галактик у космічне полудня з JWST: основа для дослідження транспорту газу зі смугами та спіральними руками" опублікована в журналі Astronomy and Astrophysics. Головний автор — доктор Хуан Мануель Еспехо Сальседо з Інституту екстраординарної фізики Макса Планка.

Друга стаття "NOEMA3D: Визначення радіальних газових потоків у дискових галактиках при z~1.1-1.6 за допомогою високоякісних спостережень CO" доступна на arxiv.org. Головний автор — Жан-Батіст Жоллі, також з Інституту екстраординарної фізики Макса Планка.

Зірки можуть формуватися лише з холодного газу. Якщо газ нагрівається, наприклад, через активні галактичні ядра або стає турбулентним через злиття, то формування зірок страждає. Лише холодний, щільний газ може колапсувати, утворюючи зірки. Усередині галактик це означає, що холодний газ повинен переміщатися з зовнішнього диска в центральні області галактики, де формуються зірки.

Обидві нові статті базуються на NOEMA3D, огляді того, як холодний газ переміщується в галактиках, що формують зірки, під час Космічного полудня. NOEMA3D вивчав масивні галактики головної послідовності за допомогою JWST та NOEMA, Північного розширеного міліметрового масиву, щоб створити високоякісне дослідження кінематики молекулярного газу. Перша стаття базується на підмножині з 10 галактик NOEMA3D, а друга стаття розглядає значно більшу вибірку.

"Основним питанням у еволюції галактик є те, як ранні галактики, що формують зірки, сформували добре впорядковані структури, які ми спостерігаємо в сучасному Всесвіті," — пишуть автори першої статті. Хоча попередні спостереження показували, що галактики космічного полудня були нерівномірними і хаотичними, нові потужні спостереження з JWST та NOEMA виявили інше.

"Хоча ранні морфологічні дослідження вказували на те, що галактики з високим червоним зсувом були надзвичайно нерегулярними і динамічно нестабільними, кінематичні огляди згодом показали, що дископодібне обертання є поширеним явищем під час космічного полудня," — пояснюють автори. У більш хаотичній, нерегулярній галактиці дисперсії швидкостей були б високими. Але астрономи сьогодні не знаходять цього.

"З появою ширококутної камери HST Wide Field Camera 3 (WFC3) та зображень у ближньому інфрачервоному діапазоні, глибші огляди почали виявляти зростаючу кількість галактик з більш регулярними морфологіями," — пишуть Еспехо Сальседо та його колеги.

Ці галактики космічного полудня є добре впорядкованими спіралями, і 4 з 10 також мають смуги. На цих червоних зсувів астрономи вважали, що ці особливості рідкісні. Але знову ж таки, JWST допомагає нам зрозуміти, наскільки ми були неправі щодо галактик в ранніх періодах Всесвіту.

Вимірюючи швидкості газу в галактиках, автори другої статті виявили, що частина газу рухалася так, як це відбувається в звичайній обертовій галактиці. Але в майже кожній з них обертання не могло пояснити весь рух газу. JWST показав, що надлишковий рух газу просторово корелює зі смугами та спіралями галактик.

"Вперше ми можемо безпосередньо пов'язати спіральні руки та смуги з рухами холодного газу в галактиках," — говорить Жан-Батіст Жоллі. "Це надає переконливі докази того, що ці структури вже сприяли транспорту газу, коли Всесвіт досяг піку своєї активності в формуванні зірок."

Це означає, що руки та смуги направляють газ у внутрішні регіони галактик. Вони активно перерозподіляють газ. Швидкість надходження порівнянна з SFR їх галактик. Отже, газ живить формування зірок і, можливо, також сприяє утворенню надмасивних чорних дір.

"Глибина спостережень NOEMA дозволяє нам простежити резервуари холодного газу, які живили зростання галактик під час космічного полудня," — зазначає Цзяньханг Чен, співавтор першого дослідження. "Тепер ми можемо бачити, в небаченій деталізації, як галактики підтримували формування зірок через свої диски протягом мільярдів років."

Ці результати допомагають створити зовсім нову картину перших галактик, їх морфологій та способу, яким вони досягали таких високих SFR. Завдяки своїм рукам і смугам, які вже були добре розвинені, ці галактики космічного полудня могли ефективно направляти холодний газ, що формує зірки, з зовнішніх регіонів у свої центри. Це суперечить нашому попередньому розумінню, де ранні галактики були нерівномірними та безладними.

Багато з цих стародавніх галактик були дуже схожі на нашу сучасну Чумацький Шлях, з його чіткими спіральними руками та смугою. Але швидкість, з якою газ переміщувався через них, була значно вищою, ніж у місцевих галактиках.

"Ці потоки були б достатніми для забезпечення високої SFR галактик у космічне полудня, сприяючи формуванню випуклостей і, можливо, живлячи центральні SMBH," — підсумовують Жоллі та його співавтори.