Телескоп «Джеймс Уэбб» ударился в археологию и разглядел прошлое Млечного Пути в сотне древних галактик

Астрономы примерили на себя роль космических археологов и с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» изучили более 100 дисковых галактик, существовавших около 11 млрд лет назад. Подобно земным артефактам, эти «доисторические» галактики могут многое рассказать об истории нашей галактики — Млечного Пути.

Примеры галактик с двумя дисками. Источник изображения: NASA / Takafumi Tsukui (ANU)

Работа учёных была направлена на изучение явления формирования тонкого и толстого звёздных дисков в галактиках. Как показали предыдущие наблюдения, более половины галактик, видимых с ребра, обладают обоими дисками, но процессы их формирования до сих пор остаются не до конца понятными.

Тонкий диск вложен в толстый, и у каждого — свои популяции звёзд и своя динамика движения. Это напоминает водоворот внутри водоворота — характерную особенность дисковых галактик. У Млечного Пути тоже два диска, причём Солнце, Земля и всё человечество находятся в слое тонкого диска.

Проведённое исследование было направлено на выяснение того, как и почему формируется двухдисковая структура. Для этого астрономы отобрали 111 дисковых галактик, расположенных к нам ребром. Это стало первым случаем, когда учёные смогли изучить структуру тонких и толстых дисков галактик, существовавших в ранней Вселенной — всего через 2,8 млрд лет после Большого взрыва. Такое исследование стало возможным исключительно благодаря инфракрасной обсерватории «Джеймс Уэбб».

«Это уникальное измерение толщины дисков при высоком красном смещении, то есть в ранней Вселенной, стало эталоном для теоретических исследований, — заявил руководитель группы Такафуми Цукуи (Takafumi Tsukui) из Австралийского национального университета. — Обычно старые звёзды толстого диска тусклые, а молодые звёзды тонкого диска затмевают всю галактику. Но благодаря разрешающей способности JWST и его уникальной возможности видеть сквозь пыль и выделять тусклые старые звёзды, мы можем различать двухдисковую структуру галактик и измерять толщину каждого диска отдельно».

Учёные начали с того, что разделили 111 галактик из выборки на две категории: с двумя дисками и с одним. Судя по всему, это подтверждает гипотезу, что сначала в галактиках формируется толстый звёздный диск, а тонкий диск появляется позже.

По мнению исследователей, время формирования этих дисков зависит от массы конкретной галактики. Галактики с одним диском и большой массой трансформировались в галактики с двумя дисками, с формированием внутреннего тонкого диска около 8 миллиардов лет назад. Галактики с меньшей массой, по-видимому, претерпели аналогичную трансформацию позже — около 4 миллиардов лет назад.

«Впервые удалось рассмотреть тонкие звёздные диски при более высоком красном смещении. Что действительно является новым, так это открытие того, когда начинают формироваться тонкие звёздные диски, — сообщают учёные. — Было удивительно увидеть тонкие звёздные диски, существовавшие уже 8 миллиардов лет назад или даже раньше».

На втором этапе анализа учёные исследовали структуру и динамику газа в окрестностях галактик, используя Большую миллиметровую/субмиллиметровую антенную решётку Атакама (ALMA) — комплекс из 66 антенн на севере Чили, работающий как единый радиотелескоп. Также к наблюдениям были подключены другие радиотелескопы. Данные показали, что турбулентный газ в ранней Вселенной вызывал всплески интенсивного звездообразования в галактиках, что приводило к формированию толстых звёздных дисков. По мере формирования звёзд в толстых дисках газ стабилизировался, становился менее турбулентным и разрежался, что вело к образованию тонкого звёздного диска.

Схематическое изображение двухдисковой структуры галактики. Источник изображения: Wikipedia

По словам исследователей, этот процесс занимал разное количество времени в галактиках с большой и малой массой, потому что в первых газ превращается в звёзды более эффективно, чем во вторых. Это означает, что в галактиках с большой массой газ истощается быстрее, и они быстрее достигают состояния, в котором могут формироваться тонкие звёздные диски.

Аналогичные процессы, вероятно, происходили и в нашей галактике. По времени они совпадают с теоретическими выводами о времени формирования тонкого диска в Млечном Пути.

В целом исследование демонстрирует способность телескопа JWST заглядывать в прошлое и находить галактики, эволюционировавшие так же, как и наша, что позволяет использовать эти объекты в качестве индикаторов, рассказывающих историю Млечного Пути.