Виявлена дуже далека «мертва» галактика

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 67

Галактика ZF-COSMOS-20115 в виставі художника. Ілюстрація © Leonard Doublet з сайту keckobservatory.org

Міжнародна група астрофізиків відкрила найбільш далеку масивну галактику без зіроутворення. Ми бачимо її в той момент, коли Всесвіту було всього 1,65 мільярда років. Але при цьому бачити її ми не повинні: сучасні еволюційні моделі прямо забороняють існування таких далеких «мертвих» галактик.

Згідно зі стандартною космологічною моделлю, перші галактики, ще дуже невеликі, без вираженої структури, утворилися через 400 тисяч років після Великого вибуху. Після цього вони поступово накопичували масу, формували спіральні рукави, стикалися і протягом декількох мільярдів років продовжували виробляти зірки з холодного водню, якого в таких галактиках міститься в надлишку. Виявлення 10-15 років тому за допомогою глибоких оглядів неба в ВК-діапазоні «мертвих» галактик на червоних зміщеннях до z ауд 3, коли Всесвіту було трохи більше 3 мільярдів років, було великим проривом спостережної астрофізики. Потрібна була модикація моделей еволюції галактик, щоб пояснити, як у Всесвіті всього за три мільярди років утворилися галактики, в яких нові зірки більше не з’являються.

Ще більш дивними виявилися опубліковані кількома незалежними групами дослідників дані про виявлення більш далеких «мертвих» галактик, в яких немає зіроутворення, хоча вік Всесвіту становив всього 2 мільярди років. Визначення червоного зміщення в цьому випадку, правда, засноване на фотометричному аналізі (це вивчення знімків галактик, отриманих в різних фільтрах) і може містити значні помилки, що змінюють вік галактик на кілька мільярдів років. Тому останні кілька років астрофізики намагалися знайти якомога більш далеку галактику без зіроутворення, відстань до якої можна було б виміряти за допомогою спектрального аналізу: в цьому випадку похибка визначення червоного зміщення становить всього близько півтора відсотків (на таких великих червоних зміщеннях це дає похибку у визначенні відстані до галактики всього близько сотні мільйонів світлових років).

І ось цього року така галактика була знайдена. Міжнародна група астрофізиків під керівництвом Карла Глейзбрука (Karl Glazebrook) з Технологічного університету Суінберна в Австралії опублікувала в журналі Nature статтю зі спектроскопічним виміром червоного зміщення галактики ZF-COSMOS-20115. Сама галактика була відкрита трьома роками раніше на 6,5-метровому Магеллановому телескопі в рамках огляду ZFOURGE. Цей огляд організований великою групою астрофізиків, куди входить і Глейзбрук, і націлений на пошук і визначення характеристик далеких галактик. Його проводять за допомогою п’яти вузькосмугових фільтрів на довжині хвилі від одного до двох мікрон, що відповідає ближньому ВК-діапазону. Поєднання величезної площі дзеркала і сучасних фільтрів, що працюють в ІК-діапазоні, дозволило відкрити 75 тисяч галактик, віддалених від нас більш ніж на 7 мільярдів світлових років.

Проводячи аналіз галактик з огляду ZFOURGE, Глейзбрук зауважив, що серед усіх виявлених галактик дев’ятнадцять вели себе особливим чином: були добре помітні в дальньому ВК-діапазоні, але абсолютно не видні на більш коротких хвилях. Подібна поведінка пояснюється «обривом Бальмера» (Balmer jump), тобто поглинанням УФ-фотонів невіднятими атомами водню. Завдяки ефекту Доплера випромінювання далеких галактик зсувається в область великих довжин хвиль. Тому якщо телескопи реєструють цей обрив не в ультрафіолеті, а в ІК-діапазоні, то це явна ознака того, що галактика від нас дуже далека.

Подальше дослідження галактики треба було проводити на більш потужному телескопі, тому група подала заявку на спостереження за допомогою спектрометра MOSFIRE, який встановлено на десятиметровому телескопі Кека на Гаваях. Це рівно те, що потрібно для вивчення такої віддаленої галактики: MOSFIRE працює на одному з найбільших телескопів і при цьому є найбільш чутливим інфрачервоним спектрометром у світі.

Спектр галактики ZF-COSMOS-20115. На всіх трьох смугах вказано один і той самий інтервал довжин хвиль у мікрометрах. a — справжній спектр, отриманий приладом MOSFIRE. Висота смуги визначається фізичними розмірами щілини, крізь яку проходить світло, що розкладається в спектр. Чим яскравіша лінія, тим сильніше приймається випромінювання. Білі вертикальні смуги — це спектральні лінії земної атмосфери, які були прибрані з обробленого зображення. b — згладжений спектр з прибраними шумами і випадковими флуктуаціями. Він використовувався для отримання інформації про галактику. з — представлення спектра на графіку, де по вертикалі відкладена щільність потоку випромінювання. Зеленим виділені лінії поглинання серії Бальмера. Сірі і чорні лінії — це оригінальний і згладжений спектр. Червоною лінією показано характерний спектр галактики без зіроутворення. Блакитний профіль вказує області спектра, де великий внесок вносить атмосфера Землі. Щоб отримати справжній спектр галактики, ці області були додатково відкалібровані за допомогою спектрів відомих стандартних зірок. Зображення з обговорюваної статті в Nature

Заявка на спостереження була схвалена і в січні 2016 року протягом 11 годин телескоп реєстрував фотони, що долітають до нас з галактики ZF-COSMOS-20115. Вимірений спектр дозволив точно визначити червоне зміщення галактики: z = 3,717. Тобто світло, яке дійшло до телескопа Кека, покинуло ZF-COSMOS-20115, коли Всесвіту було всього лише 1,65 з нинішніх 13,7 мільярдів років. Дані телескопа «Хаббл», космічної ІК-обсерваторії «Спітцер» і ряду наземних обсерваторій (всього 36 знімків в різних фільтрах), отримані з моменту виявлення галактики в ході досліджень іншими науковими групами, допомогли доповнити картину і скласти повноцінний «паспорт» галактики ZF-COSMOS-20115.

Ліворуч — зображення галактики ZF-COSMOS-20115, отримане телескопом «Хаббл» в ІК-діапазоні. Праворуч — композитні зображення, отримані наземними ВК-телескопами (вгорі) і наземними оптичними телескопами (внизу). Максимум випромінювання галактики припадає на довжину хвилі 2 мкм, яка відповідає ВК-діапазону, і через червоний зсув галактика не реєструється оптичними телескопами. Зображення з обговорюваної статті в Nature

Її маса (точніше, маса тільки зірок, вимірена на основі порівняння випромінювання в оптичних фільтрах) виявилася в три рази більше маси Чумацького Шляху. При цьому галактика дуже компактна (її ефективний радіус всього лише 500 парсек, тобто в 120 разів менше Чумацького Шляху), і, що найдивовижніше, її спектр містить яскраво виражені лінії поглинання серії Бальмера. Серія Бальмера (не плутати з «обривом Бальмера»!) — це набір довжин хвиль, який характерний для електронів атомів водню, що випускають фотони при переході з більш високих рівнів на другий енергетичних рівень. Наявність ліній поглинання Бальмера у спектрі галактики — це обов’язкова умова існування зірок класу А, тобто короткоживучих зірок трохи масивніше Сонця (див. спектральні класи зірок). Вони живуть всього 200-1000 мільйонів років, а значить, у своєму недавньому минулому галактика ще формувала нові зірки. Однак в її спектрі не було знайдено жодних ознак наявності більш масивних (і тих, що живуть ще менше) зірок класів O і B, що говорить про відсутність у цій галактиці активного формування нових зірок.

Ширина і глибина ліній поглинання Бальмера в галактиці ZF-COSMOS-20115 дозволяє судити про поточну швидкість зіроутворення: у молодих яскравих зірок є сильні лінії випромінювання, особливо H^, що відповідає переходу з четвертого на другий енергетичний рівень. Якщо таких зірок багато, то вони повинні «забивати» лінію поглинання, знайдену в цій галактиці, роблячи її менш глибокою і вираженою. Таким чином, можна впевнено припустити, що там зараз утворюється не більше чотирьох зірок на рік. Це можна порівняти з темпом зореутворення Чумацького Шляху, але вкрай мало як для більшості галактик тієї епохи, так і для самої ZF-COSMOS-20115 — адже в недавньому минулому вона народжувала по тисячі зірок на рік.

Цей висновок може здатися неочевидним, проте логіка тут проста: ми спостерігаємо галактику в той момент, коли Всесвіту було всього 1,65 мільярда років, значить він не може бути старше 1,3 мільярда років, адже сучасна космологія досить докладно описує стан раннього Всесвіту в перші кілька сотень мільйонів років, і це явно не найкращий час для утворення галактик. Молодше трьохсот мільйонів років вона теж бути не може, оскільки фізики накладають обмеження на максимальний темп зіроутворення в галактиці, пов’язаний з умовами охолодження хмар водню: тільки холодна хмара може ефективно стискатися і перетворитися на зірку. Якщо використовувати максимально можливий темп зіроутворення (2-3 тисячі сонячних мас на рік) і не забути про те, що галактика не формує нові зірки вже як мінімум сто мільйонів років, то ми і отримаємо триста мільйонів років — найкоротший можливий період, щоб набрати масу близько 140 мільярдів мас Сонця.

Прогнавши за допомогою статистичного методу Монте-Карло теоретично прораховані моделі еволюції галактик, астрофізики дійшли висновку, що її найбільш імовірний вік становить 700 мільйонів років. А в останні 400 тисяч років активного зіроутворення в ній не було — це знову ж таки визначається за відсутністю ліній випромінювання в її спектрі. І ось ці висновки наштовхуються на протиріччя, які важко пояснити в контексті нинішніх моделей еволюції галактик.

По-перше, не до кінця зрозумілий механізм такого вибухового зіроутворення. Що змусило весь газ так ефективно стискатися, що процеси, що йдуть за звичайних умов мільярди років, завершилися в такі незначні за космічними мірками терміни? Можливим поясненням (для якого, втім, ще не знайдено підтверджень) може бути злиття двох галактик схожих розмірів. У цьому випадку гравітаційне обурення могло перемішати газ настільки вдало, що він почав дуже швидко остигати і стискатися, формуючи сотні мільйонів протозірок. Зараз важко сказати, чи правильне це пояснення: комп’ютерні симуляції поки не можуть відтворити цей сценарій, та й інших прикладів подібних галактик поки не знайдено.

По-друге, саме існування таких галактик виявилося сюрпризом. Згідно з усіма космологічними моделями, на червоному зміщенні z ауд 3,7 можуть бути присутні тільки молоді галактики, які активно народжують нові зірки. А за 700 мільйонів років до цього не повинно бути ніяких галактик з подібною або близькою масою — вони просто не встигали б формуватися. Більш того, якщо ці галактики все ж утворюються, то перші кілька сотень мільйонів років вони повинні працювати як масові конвеєри з виробництва зірок — по 2-3 на день. Потужність сучасних телескопів цілком достатня, щоб виявити подібні галактики навіть на таких гігантських відстанях. Однак ми їх не бачимо!

Можливо, що справа тут у пилу. Нещодавно виявлений клас галактик, Dust-obscured star-1916 ing galaxies (зіроутворюючі галактики, приховані в пилу), може підтримувати необхідний високий темп зіроутворення (вони здатні збільшити свою зоряну масу в 5 разів всього за 50 мільйонів років!) за рахунок величезних запасів холодного водню, який оточує області появи нових зірок і не пропускає назовні оптичне випромінювання (igeint. R. Dust-obscured star formation and the contribution of galaxies escaping UV/optical color selections at z ~ 2). Такі галактики можуть вивчатися тільки за допомогою космічних ІК- або наземних радіо- або субміліметрових телескопів, характеристики яких поки не дотягують до кращих оптичних телескопів. Тому ми можемо тільки наближено оцінювати їх параметри. Ці галактики знаходять на червоних зміщеннях до z = 6, і вони, за оцінками астрофізиків, можуть бути «прабатьками» галактик з такими властивостями, як у ZF-COSMOS-20115.

Але це ще не все. Теорія еволюції галактик не висить у повітрі, вона повинна добре вписуватися в загальну космологічну картину. І тут з’являється нове протиріччя: сучасні моделі накладають жорсткі обмеження на швидкість формування гало темної матерії і на співвідношення темної і баріонної (тобто звичної нам) матерій в галактиках. Масу темної матерії можна отримати чисельно, знаючи вік галактики і вік Всесвіту на момент її формування. Якщо співвідношення темної і баріонної матерії виконується (а протиріч цьому ми поки не бачимо), то легко розрахувати повну баріонну масу галактики.

І ось тут вчені виявили дивовижну картину: більше третини всіх протонів і нейтронів галактики ZF-COSMOS-20115 знаходяться в зірках. Це небувала величина: у всіх сучасних наймасивніших галактиках частка баріонів у зірках не перевищує 5-10%, а інша частина знаходиться в галактиках у вигляді пилу і газу. Тобто для того, щоб знову стати «нормальною» (з потрібним відсотком зіркової маси), ZF-COSMOS-20115 в якийсь момент часу просто припинила формувати нові зірки, але при цьому в неї продовжився приплив нових баріонів у вигляді водню. З якої причини цей газ не став джерелом нових хвиль зіроутворення — ми не знаємо. Але ми точно знаємо, що цього не сталося, тому що в іншому випадку маса галактики продовжувала б рости і зараз ZF-COSMOS-20115 була б наймасивнішою галактикою з відомих нам. Ми добре уявляємо собі характеристики мільйонів галактик в локальному Всесвіті і таких галактик не бачимо, отже щось в далекому минулому зупинило формування нових зірок.

Дещо підкоригувати висновки вчених (і, відповідно, частково врятувати поточну модель еволюції галактик) може виявлення так званого прихованого зіроутворення — явища, при якому молоді зірки укриті від телескопів таким товстим шаром пилу, що оптичне випромінювання просто не доходить до нас. Виявити це приховане зореутворення в галактиці, віддаленій від нас на 12 мільярдів світлових років, можна в субміліметровому або радіодієстоні. У липні 2017 року вийшла стаття міжнародної групи астрофізиків, що представляють 23 університети, які використовували дані комплексу радіотелескопів ALMA в Чилі і субміліметрового детектора SCUBA-2, встановленого на телескопі Максвелла на Гаваях. Вчені стверджують, що не тільки виявили це приховане зіроутворення в галактиці ZF-COSMOS-20115, але і що воно знаходиться на відстані 3 кілопарсек від координат її центру, тобто далеко від місця основного скупчення зірок. Це може вказувати на складну морфологію галактики, в якій всередині протяжного гало темної матерії присутнє масивне і «мертве» ядро, а також існує область активного зіроутворення, в якій може формуватися до 100 нових світил на рік.

Ясно, що одна галактика, якою б унікальною вона не була, не може повністю змінити наше уявлення про еволюцію Всесвіту. Однак вона може задати напрямок для нових пошуків. Спостереження, які вже ведуться на телескопі ALMA, ставлять за мету пошук нових галактик, схожих за своїми властивостями на ZF-COSMOS-20115. Запуск ІК-телескопа Джеймса Вебба, про який згадують автори обох статей, намічений на 2018 рік і повинен значно збільшити кількість далеких галактик, для яких можна буде проводити спектроскопічні спостереження, а значить, список подібних «мертвих» галактик на великих червоних зміщеннях скоро буде поповнюватися.

Джерела:

1) Karl Glazebrook, Corentin Schreiber, Ivo Labbé, Themiya Nanayakkara, Glenn G. Kacprzak, Pascal A. Oesch, Casey Papovich, Lee R. Spitler, Caroline M. S. Straatman, Kim-Vy H. Tran & Tiantian Yuan. A massive, quiescent galaxy at a redshift of 3.717 // Nature. 2017. V. 544. P. 71–74. DOI: 10.1038/nature21680.

2) J. M. Simpson, Ian Smail, Wei-Hao Wang, D. Riechers, J. S. Dunlop, Y. Ao, N. Bourne, A. Bunker, S. C. Chapman, Chian-Chou Chen, H. Dannerbauer, J. E. Geach, T. Goto, C. M. Harrison, H. S. Hwang, R. J. Ivison, Tadayuki Kodama, C.-H. Lee, H.-M. Lee, M. Lee, C.-F. Lim, M. J. Michalowski, D. J. Rosario, H. Shim, X. W. Shu, A. M. Swinbank, W.-L. Tee, Y. Toba, E. Valiante, Junxian Wang, X. Z. Zheng. An imperfectly passive nature: Bright sub-millimeter emission from dust-obscured star formation in the z = 3.717 «»passive»» system, ZF20115 // 2017. Препринт arXiv:1704.03868 [astro-ph.GA].

Марат Мусін