Спиральные рукава и бары — топливные насосы для формирования звезд в галактиках

Формирование звезд достигло своего пика в период, известный как Космический полдень, примерно через два-три миллиарда лет после Большого взрыва. В это время скорость формирования звезд (SFR) была в 100 раз выше, чем сегодня. Для достижения такой высокой SFR газ должен был эффективно перемещаться внутри галактик.

Астрономы сталкивались с трудностями в объяснении этого факта, считая, что ранние галактики были беспорядочными и хаотичными из-за слияний и турбулентности. Однако новые исследования показывают иную картину. Они указывают на то, что массивные дисковые галактики с барами и спиральными рукавами эффективно перемещали холодный газ, что способствовало высокой SFR.

Эти результаты представлены в двух новых научных статьях. Первая из них, "Морфологии галактик в космический полдень с JWST: основа для изучения транспортировки газа с помощью баров и спиральных рукавов", опубликована в журнале Astronomy and Astrophysics. Главный автор — доктор Хуан Мануэль Эспехо Сальседо из Института Макса Планка по экзопланетной физике.

Вторая статья, "NOEMA3D: Разрешение радиальных газовых потоков в дисковых галактиках при z~1.1-1.6 с помощью высокоразрешающих наблюдений CO", доступна на arxiv.org. Главный автор — Жан-Батист Жолли, также из Института Макса Планка по экзопланетной физике.

Звезды могут формироваться только из холодного газа. Если газ нагревается, например, из-за активных галактических ядер или становится турбулентным из-за слияний, то процесс формирования звезд затрудняется. Холодный и плотный газ необходим для коллапса и формирования звезд. Внутри галактик это означает, что холодный газ должен перемещаться от внешнего диска к центральным регионам, где происходит образование звезд.

Две новые статьи основаны на исследовании NOEMA3D, которое изучает, как холодный газ перемещается в галактиках, активно формирующих звезды, в период Космического полдня. NOEMA3D исследовал массивные галактики главной последовательности с использованием JWST и NOEMA, Северного расширенного миллиметрового массива, чтобы создать высокоразрешенное исследование кинематики молекулярного газа. Первая статья основана на подмножестве из 10 галактик из NOEMA3D, а вторая статья рассматривает значительно более крупный образец.

"Фундаментальный вопрос в эволюции галактик заключается в том, как ранние галактики, формирующие звезды, собрали хорошо организованные структуры, наблюдаемые в современном宇宙e," — пишут авторы первой статьи. Хотя предыдущие наблюдения показывали, что галактики в период космического полдня были неровными и хаотичными, более мощные наблюдения с помощью JWST и NOEMA раскрыли иную реальность.

"Ранее морфологические исследования предполагали, что галактики с высоким красным смещением были крайне нерегулярными и динамически нестабильными, но кинематические исследования показали, что дисковая ротация широко распространена в период космического полдня," — объясняют авторы. В более хаотичной и нерегулярной галактике дисперсия скоростей была бы высокой. Но астрономы не находят этого сегодня.

"С появлением камеры широкого поля HST (WFC3) и ближнеинфракрасной съемки углубленные исследования начали выявлять растущее количество галактик с более регулярными морфологиями," — пишут Эспехо Сальседо и его коллеги.

Эти галактики космического полдня представляют собой хорошо организованные спирали, и 4 из 10 также имеют бары. На этих красных смещениях астрономы считали, что такие особенности редки. Но, как и прежде, JWST помогает нам понять, насколько ошибочными были наши представления о галактиках в ранние периоды Вселенной.

Измеряя скорости газа в галактиках, авторы второй статьи обнаружили, что часть газа перемещалась так же, как в обычной вращающейся галактике. Однако в почти каждой из них ротация не могла объяснить все движения газа. JWST показал, что избыточное движение газа пространственно коррелирует с барами и спиралями галактик.

"Впервые мы можем напрямую связать спиральные рукава и бары с движением холодного газа внутри галактик," — говорит Жан-Батист Жолли. "Это предоставляет убедительные доказательства того, что эти структуры уже способствовали транспортировке газа, когда Вселенная достигала пика своей активности по формированию звезд."

Это означает, что рукава и бары направляют газ в центральные регионы галактик, активно перераспределяя его. Скорость притока газа сопоставима с SFR галактик. Таким образом, газ способствует формированию звезд и, возможно, также участвует в образовании сверхмассивных черных дыр.

"Глубина наблюдений NOEMA позволяет нам проследить холодные газовые резервуары, которые питали рост галактик в период космического полдня," — говорит Цзяньханг Чен, соавтор первой статьи. "Теперь мы можем видеть, с беспрецедентной детализацией, как галактики поддерживали формирование звезд по своим дискам на протяжении миллиардов лет."

Эти результаты помогают создать совершенно новую картину первых галактик, их морфологий и того, как они достигли таких высоких SFR. С уже хорошо установленными рукавами и барами, эти галактики Космического полдня смогли эффективно направлять холодный газ, формирующий звезды, из своих внешних регионов в центры. Это противоречит нашим предыдущим представлениям, согласно которым ранние галактики были неровными и беспорядочными.

Многие из этих древних галактик были очень похожи на нашу современную Млечный Путь с его четкими спиральными рукавами и баром. Однако скорость, с которой газ перемещался внутри них, была значительно выше, чем в местных галактиках.

"Эти потоки были бы достаточны для обеспечения высокой SFR галактик в период космического полдня, способствуя образованию выпуклостей и, возможно, питая центральные сверхмассивные черные дыры," — заключают Жолли и его соавторы.