В течение многих лет до запуска космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) усилия астрономов по изучению структуры и эволюции ранней Вселенной сдерживались проблемой — экстремальным красным смещением света от самых ранних галактик. Свет от этих древних объектов был настолько сильно растянут из-за расширения Вселенной, что оказался смещён далеко в красную область спектра, став практически недоступным для наблюдения с помощью оптических и ультрафиолетовых телескопов.
В отличие от предыдущих обсерваторий, JWST был специально разработан для работы в инфракрасном диапазоне, что позволяет ему эффективно наблюдать сверхкрасно-смещённые объекты. Как только этот телескоп ввели в эксплуатацию и он активировал своё сегментированное бериллиевое главное зеркало, перед астрономами открылась возможность впервые увидеть самое древнее излучение во Вселенной, смещённое в красную область спектра.
Свет, испускаемый первыми галактиками, не только был чрезвычайно слабым, но и претерпел колоссальное растяжение за миллиарды лет космического расширения. Такие ранние галактики, излучение которых достигло нас в сильно покрасневшем виде, называются объектами с большим красным смещением, обозначаемым как z. Только инфракрасные телескопы, подобные JWST, способны обнаружить и исследовать такие источники.
Данные, полученные JWST, уже позволили учёным сделать важные выводы о ранней эволюции галактик. Оказалось, что галактики увеличивались в размерах преимущественно за счёт слияний и столкновений, причём до 60% всех галактик на текущий момент имеют спиральную структуру. Понимание процесса формирования спиральных галактик важно, поскольку в их рукавах происходит интенсивное звездообразование, в ходе которого синтезируются тяжёлые химические элементы, необходимые для возникновения каменистых планет и в конечном итоге — жизни.
Одно из ключевых научных направлений, реализуемых с помощью JWST, называется CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science). В рамках этой программы телескоп уже получил первые изображения галактик, существовавших на очень ранних стадиях космической истории, когда Вселенной было всего 500-700 миллионов лет. Среди прочих открытий CEERS обнаружил самую удалённую активную сверхмассивную чёрную дыру. Эти данные позволят астрономам значительно продвинуться в понимании ключевых этапов эволюции галактик и формирования их современной структуры.
Недавнее исследование, опубликованное в журнале The Astrophysical Journal Letters, углубило понимание ранней эволюции галактик с помощью данных. Работа, озаглавленная «JWST показывает удивительно высокую долю спиральных галактик при 0,5 ≤ z ≤ 4», была выполнена группой учёных под руководством аспирантки Вики Кун из Университета Миссури.
«Прежде считалось, что большинство спиральных галактик появились лишь спустя 6-7 миллиардов лет после рождения Вселенной. Однако наши результаты свидетельствуют, что спиральные галактики были распространены уже примерно через 2 миллиарда лет после Большого взрыва. Это означает, что процесс формирования галактик протекал значительно быстрее, чем считалось ранее», — комментирует Ичэн Го, доцент кафедры физики и астрономии Миззоу и соавтор исследования.
Авторы проанализировали 873 галактики из программы наблюдений CEERS, относящиеся к диапазону красных смещений 0,5 ≤ z ≤ 4 и имеющие звёздные массы не более 10 миллиардов солнечных масс. Они обнаружили, что 216 из этих объектов имеют спиральную структуру. «Эта доля спиральных галактик оказалась на удивление высокой, что свидетельствует о более раннем формировании спиральных рукавов и дисков во Вселенной», — отмечают исследователи.
«Определение временных рамок, в которые сформировались спиральные галактики, давно важный вопрос в астрономии, поскольку это помогает нам лучше понять общую эволюцию Вселенной. Существует множество теоретических моделей того, как могут образовываться спиральные рукава, но механизмы формирования, вероятно, различаются для разных типов спиральных галактик. Новые данные позволяют нам лучше сопоставить физические характеристики галактик с теоретическими представлениями, дополняя общую картину космической хронологии», — говорит ведущий автор Вики Кун.
Согласно изложенной в статье концепции, спиральные галактики изначально формируются из газовых дисков. Результаты данного исследования, вместе с другими наблюдениями галактик на больших красных смещениях, рисуют следующую картину эволюции: динамически горячие газовые диски появляются уже при z = 4-5, затем стабилизируются и становятся динамически холодными при z = 3-4. Поскольку звездообразование происходит, когда газ остывает и сжимается, большое количество динамически холодных звёздных дисков с чётко выраженными спиральными рукавами формируется именно в этот период, z = 3-4.
Исследование также проливает свет на связь между спиральными структурами и другими подсистемами галактик. Богатые газом диски на больших красных смещениях отличаются высокой турбулентностью, а гравитационная нестабильность приводит к образованию массивных звёздных скоплений. Позднее, горячие молодые звёзды разгоняют вращение галактик, позволяя им успокоиться и стать менее турбулентными. Эти области активного звездообразования также могут сливаться, дополнительно стабилизируя диски. Таким образом, авторы делают вывод, что именно гравитационная нестабильность является первопричиной возникновения спиральных рукавов, в то время как роль звёздных скоплений является вторичной, поскольку они сосуществуют со спиралями на ранних стадиях.
Исследователи отмечают некоторые ограничения своей работы. Так, сливающиеся галактики могут визуально напоминать спирали, а длинные «хвосты», характерные для слияний, могут быть ошибочно приняты за спиральные рукава. Кроме того, на больших красных смещениях z > 2 доля слияний галактик считается более высокой, что добавляет дополнительную неопределённость. Тем не менее, авторы уверены, что эти факторы не сильно повлияли на общий вывод: «Наблюдаемая доля спиральных галактик уменьшается с увеличением красного смещения - от ~43% при z = 1 до ~4% при z = 3. Таким образом, хотя спирали становятся более редкими в более ранней Вселенной, их количество всё же оказывается существенно больше, чем предполагалось ранее».
«Спиральная структура — фундаментальная особенность галактик, которая используется астрономами для их классификации и понимания эволюционных процессов. Несмотря на то, что у нас остаётся много вопросов относительно прошлого Вселенной, анализ этих данных, полученных JWST, значительно продвигает нас в познании ранних этапов формирования и развития галактических систем», — резюмирует Ичэн Го.