Вот почему так много массивных галактик в ранней Вселенной перестали формировать звезды

Вот почему так много массивных галактик в ранней Вселенной перестали формировать звезды

Раняя Вселенная полна массивных галактик, которые прекратили формирование звезд очень рано. Их называют массивными квазиентами (MQ), и их трудно объяснить. Новые исследования показывают, что другой тип галактики, пыльные звездообразующие галактики (DSFG), может объяснить, почему. Дело касается слияний, звездных всплесков и обратной связи активных галактических ядер (AGN).

Как наши мощные телескопы проникли за завесу времени, астрономы столкнулись с рядом загадочных наблюдений древней Вселенной. Читатели Universe Today знакомы с супер массивными черными дырами, которые обнаружил JWST, и тем, как они ставят под сомнение наше понимание роста черных дыр.

Но есть и другие загадки.

Одна из самых запутанных касается некоторых из самых массивных галактик в ранней Вселенной и того, почему они прекратили создавать новые звезды так рано после своего формирования. Астрономы называют эти галактики массивными квазиентами (MQ). Понимание их преждевременного угасания поможет создать более точное представление о Вселенной и ее многочисленных взаимодействующих процессах.

Согласно наблюдениям, некоторые ранние массивные галактики, которые образовались через 3 или 4 миллиарда лет после Большого взрыва, прекратили производство звезд всего через 1 миллиард лет после своего формирования. Это странно, и кажется еще более странным по сравнению с Млечным путем, которому более 13 миллиардов лет и который все еще производит звезды, хотя и медленно. Что происходит с MQ, что подавляет их звездообразование?

Исследователи Института астрономии, геофизики и атмосферных наук Университета Сан-Паулу, вместе с коллегами из Дании, Нидерландов и Великобритании, считают, что они определили причину этого преждевременного угасания.

Их работа опубликована в журнале Astronomy and Astrophysics и называется "Связь между пыльными звездообразующими галактиками и первыми массивными угасшими галактиками." Главный автор — Пабло Арая-Арая, постдоктор в Департаменте космических исследований и технологий, астрофизики и атмосферной физики Технического университета Дании.

MQ считались редкими, хотя разные исследования находили разные количества. Но с тех пор как JWST был запущен, он обнаружил еще больше из них, усилив напряжение между наблюдениями и теорией. Мощные симуляции, такие как IllustrisTNG, недооценивают количество MQ на порядок, подчеркивая тот факт, что наши модели не полны. Вместо того чтобы разочаровываться, ученые принимают такие результаты, потому что это показывает им, где еще есть работа.

"Массивные квазиентные галактики (MQ) на высоких красных смещениях (z ≳ 2) предоставляют возможность исследовать ключевые физические процессы, управляющие подпиткой и угасанием звездообразования в ранней Вселенной," пишут авторы. Понимание процессов, стоящих за этим, может зависеть от изучения другого типа галактики с высоким красным смещением. "Наблюдательные данные предполагают возможную эволюционную связь между MQ и пыльными звездообразующими галактиками (DSFG), другой экстремальной популяцией с высоким красным смещением."

"Мы сосредоточились на двух, казалось бы, различных популяциях: пыльных звездообразующих галактиках (DSFG) и массивных квазиентных галактиках (MQ)," сказал Лаэрте Содре Жуниор в пресс-релизе. Он является пенсионером и доктором наук, научным руководителем главного автора исследования, Пабло Арая-Арая. "Они образовались и быстро прекратили производить звезды в течение первых нескольких миллиардов лет истории Вселенной."

DSFG противоположны MQ. ALMA обнаружила тысячи DSFG и изучила их насколько это возможно. Они являются плодовитыми звездообразователями и могут производить до 500 солнечных масс звезд в год, по сравнению с одной солнечной массой в год для Млечного Пути. Хотя DSFG окутаны толстыми слоями пыли, блокирующими оптический свет, они чрезвычайно ярки в инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах, которые могут проникать сквозь всю эту пыль.

Исследователи разработали модели, которые пытаются объяснить как MQ, так и DSFG, но в этих моделях есть проблема. "Эта тенденция — когда модели, воспроизводящие MQ на высоких красных смещениях, склонны недооценивать DSFG, и наоборот — выявляет постоянное напряжение в моделях формирования галактик," объясняют исследователи. "Это предполагает, что физические механизмы, необходимые для эффективных звездообразований, скрытых пылью, могут противоречить тем, которые необходимы для быстрого угасания и формирования MQ."

Чтобы выяснить, что происходит и разрешить напряжение, исследователи провели новую модель формирования галактик на симуляции Millennium. "Для этой работы мы использовали эту новую модель, чтобы исследовать предшественников MQ на z > 2 и физические механизмы, которые приводят к их угасанию," пишут исследователи.

Эта новая модель обеспечила лучшее соответствие между наблюдаемыми числами как MQ, так и DSFG, что придает силу ее результатам. Результаты показывают, что большинство MQ — от 86% до 96% — сначала прошли через фазу как DSFG. "Следовательно, в нашей модели предшественники подавляющего большинства MQ — это DSFG," пишут авторы. Исследователи также обнаружили, что самые массивные MQ были самыми яркими в своей фазе DSFG.

Согласно исследователям, крупные слияния галактик, которые усиливают как суперновые, так и обратную связь AGN, а также звездообразование, ответственны за это. "Раннее крупное слияние определяет эволюционные пути, следуемые общей популяцией DSFG и предшественниками MQ на высоких красных смещениях," пишут авторы. Эти слияния не только создают звездные всплески, они являются основным двигателем роста супер массивных черных дыр и активных галактических ядер.

"Слияние двух галактик сосредоточило большие объемы газа в ядре, одновременно вызывая экстремальный всплеск звездообразования и интенсивное питание супер массивной черной дыры," резюмировал Содре. "В этом процессе холодный газ быстро расходуется, в то время как энергия, выделяемая активным ядром, нагревает окружающий газ и предотвращает его охлаждение и повторное включение в галактику, блокируя поставку сырья для новых звезд и останавливая звездообразование менее чем за миллиард лет," объяснил Содре.

"В этом контексте события слияния могут одновременно усиливать как обратную связь суперновых (SN), так и AGN," пишут авторы, и это ключевое открытие. Слияния генерируют звездный всплеск, который проявляется как инфракрасные и субмиллиметровые DSFG. Но затем обратная связь SN и AGN угашает звездообразование.

"Мы обнаружили, что быстрое угасание MQ на высоких красных смещениях вызвано ранними слияниями, которые приводят к чрезмерно массивным SMBH по сравнению со звездной массой предшественников MQ. Следовательно, для угасания звездообразования в этих системах требуется меньше энергии обратной связи AGN," объясняют исследователи.

Большинство галактик не следуют этому пути. Они растут медленно, более размеренно. Их газ расходуется медленнее, и их угасание происходит позже. Для них крупные слияния происходят позже в их эволюции, и эффекты не так выражены.

Все еще существуют расхождения между этой моделью и наблюдениями. В некоторых аспектах она не совпадает с наблюдениями. Например, она не может воспроизвести количество MQ, которые JWST нашел в своих последних наблюдениях. "Мы наблюдаем гораздо больше галактик с субмиллиметровым излучением, чем мы предсказали," сказал Содре.

Но научные результаты не обязательно должны быть идеальными, чтобы быть продуктивными. Эти результаты будут способствовать дальнейшим наблюдениям и моделированию в будущем, и со временем наше понимание эволюции галактик также будет развиваться.