Це так само принизливо, як і мотивує думати про те, скільки нам ще належить дізнатися про Всесвіт. Ми з моїми співробітниками щойно взялися за одну з незмінних таємниць астрофізики: як можуть утворюватися масивні еліптичні галактики. Тепер ми вперше маємо переконливі дані спостережень, які дають відповідь. Наші результати нещодавно були опубліковані в Nature.
Галактики в сучасному Всесвіті поділяються на дві великі категорії. Існують спіральні галактики, такі як наш Чумацький Шлях, які багаті газом і постійно утворюють зірки в обертовому диску. Існують також еліптичні галактики, які є великими та сферичними, а не плоскими, схожими на м’яч для регбі. Останні не створюють нових зірок, але переважають зірки, що утворилися понад 10 мільярдів років тому.
Утворення еліптичних галактик довгий час було важко пояснити космологічними моделями, що описують еволюцію Всесвіту від Великого вибуху до наших днів. Одна з проблем полягає в тому, що утворення зірок в епоху, коли утворилися еліптичні галактики (10-12 мільярдів років тому), вважалося, відбувалося у великих обертових дисках , подібних до нашого Чумацького Шляху. Отже, як галактики змінили свою форму з плоских дисків на тривимірні еліптичні галактики?
Спостереження з Алмою
Аналізуючи дані великого міліметрового/субміліметрового масиву Атакама (Alma), ми визначили місця народження гігантських еліптичних галактик. Ми виявили, що локальні еліптичні галактики можуть утворюватися через інтенсивні та короткочасні епізоди зореутворення на початку Всесвіту, на відміну від того, що починалися як диск, що обертається, і з часом ставали все більш еліптичними. Наше дослідження вивчило розподіл пилу в понад 100 віддалених галактиках, у яких, як ми знаємо, утворювалося багато зірок, коли Всесвіту було від 2,2 мільярда до 5,9 мільярда років.
Пил вказує на наявність газу – матеріалу, з якого утворюються нові зірки – і дає нам змогу вивчати регіони в галактиці, де активно утворюються нові зірки. Використовуючи нову техніку спостереження, ми виявили, що пил у цих далеких галактиках надзвичайно компактний і не такий, як ми очікували від плоских дископодібних галактик. Крім того, ми змогли зробити висновок про тривимірну геометрію областей, що виділяють пил.
Цей аналіз вказує на те, що більшість ранніх галактик, що утворювали зірки, насправді були сферичними, а не дисковими. Насправді вони дуже нагадують форму еліптичних галактик, які знаходяться поблизу нас сьогодні.
Потім ми використали космологічне комп’ютерне моделювання, щоб інтерпретувати результати спостережень і зрозуміти фізичні механізми, які могли спричинити потрапляння пилу та газу в центри цих далеких галактик, що утворюють зірки.
Наш аналіз показує, що одночасна дія потоків холодного газу з навколишніх галактик разом із взаємодією та злиттям галактик може спричиняти переміщення газу та пилу в компактні ядра, що утворюють зірки в цих галактиках. Моделювання також показує нам, що цей процес був поширеним у ранньому Всесвіті, надаючи ключове пояснення швидкого формування еліптичних галактик. Наші відкриття додають важливу частину цієї головоломки, покращуючи наше розуміння формування та еволюції галактик.
Нова методика спостереження
Це відкриття стало можливим завдяки новому методу аналізу спостережень ALMA. Дані Alma відрізняються від зображень, які ми звикли бачити з оптичних телескопів. Насправді Alma працює, поєднуючи сигнали від кількох антен, які працюють разом як єдиний гігантський телескоп.
Цей метод відомий як інтерферометрія, і хоча він дозволяє отримувати чіткі зображення далеких галактик, аналіз даних є більш складним, ніж для традиційних оптичних зображень. Наша нова методика дає змогу точніше вимірювати розподіл пилу порівняно з попередніми методами, пропонуючи значний прогрес у цій галузі.
Для цього дослідження ми використовували архівні дані Alma у відкритому доступі, накопичені протягом кількох років. Це підкреслює силу даних із відкритим кодом, де вчені діляться своїми висновками, і всесвітню співпрацю для досягнення наукових проривів.
Майбутні спостереження за допомогою космічних телескопів JWST і Euclid додатково складуть карту розподілу зірок у далеких предків сучасних еліптичних галактик. А Надзвичайно Великий Телескоп із дзеркалом шириною 39 метрів забезпечить безпрецедентну детальність ядер зореутворення у далеких галактиках. Крім того, точніші спостереження газової динаміки за допомогою ALma та Дуже Великого Телескопа покажуть, як газ рухається до центрів галактик, стимулюючи утворення зірок і формуючи галактики, які ми бачимо сьогодні.