Поведінка галактик у ранньому Всесвіті привертає велику увагу дослідників. Насправді все, що стосується раннього Всесвіту, перебуває під пильним науковим дослідженням зі зрозумілих причин. Але на відміну від перших зірок Всесвіту, які вже давно померли, галактики, які ми бачимо навколо нас, включаючи нашу власну, були тут з перших днів.
Сучасні наукові думки говорять про те, що на початку існування Всесвіту галактики росли повільно, і потребували мільярди років, щоб стати тим, чим вони є зараз. Але нові спостереження показують, що це може бути не так.
Нові спостереження взято з опитування під назвою АЛЬПІЙСЬКИЙ (Велика програма ALMA для дослідження C+ в ранні часи). ALPINE – це програма, яка вивчає газопилові властивості молодих галактик на ранній фазі росту на червоні зміщення z = 4-6.
«На наш подив, багато з них були набагато дорослішими, ніж ми очікували».
Андреас Файсст, IPAC у Caltech
Дослідження показало, що багато галактик зазнали стрибка зростання між 1 і 1,5 мільярдами років після Великого вибуху. Під час цього стрибка зростання галактики набули значної кількості своєї зоряної маси та пилу. Вони також розвинулися в спіральні галактики, які ми бачимо сьогодні, і набули вмісту важких елементів.
Під час опитування ALPINE міжнародна команда астрономів розглянула 118 з цих ранніх галактик, які зазнали стрибків зростання.
Андреас Файсст є одним із дослідників, які беруть участь у ALPINE. Файсст є дослідником у Центрі обробки та аналізу інфрачервоного випромінювання (IPAC) Каліфорнійського технологічного інституту (Caltech), а також є головним дослідником ALPINE в США. В прес-реліз , сказав він: «На наш подив, багато з них були набагато дорослішими, ніж ми очікували».
Проект ALPINE досліджує галактики, які знаходяться від 1 до 1,5 мільярда років після Великого вибуху. У цьому віці галактики перебувають у фазі переходу між первісною і зрілою. Перехідна фаза має вирішальне значення для розуміння того, як утворилися та еволюціонували галактики. Автор зображення: ALPINE
Важкий елемент із вмістом пилу в галактиці – це те, що відрізняє молоді галактики від зрілих. Лише зрілі галактики мають більшу кількість пилу та металів, оскільки вони є побічним продуктом вмирання зірок. Молодих галактик не було достатньо довго, щоб покоління зірок загинули і створили пил і метали.
Коли дослідники подивилися на 118 молодих галактик, вони були здивовані, побачивши так багато пилу і стільки металу. Їхня присутність вказувала на те, що вже було більше зоряної активності, ніж думали. «Ми не очікували побачити стільки пилу та важких елементів у цих далеких галактиках», — сказав Файсст.
Даніель Шерер з Університету Женеви – ще один вчений, який займається ALPINE. «З попередніх досліджень ми зрозуміли, що такі молоді галактики бідні на пил», — сказав Шерер. «Однак ми бачимо, що близько 20 відсотків галактик, які зібралися в цю ранню епоху, вже дуже пилові, і значна частина ультрафіолетового світла від новонароджених зірок уже прихована цим пилом», — додав він.
Це дві галактики раннього Всесвіту, які ALMA спостерігав у радіохвилях. Галактики вважаються більш «зрілими», ніж «первісними», оскільки вони містять велику кількість пилу (жовтий колір). ALMA також виявила газ (червоний), який використовується для вимірювання затьмареного зореутворення та рухів у галактиках.
Авторство: B. Saxton NRAO / AUI / NSF, ALMA (ESO / NAOJ / NRAO), команда ALPINE.
Інше питання про ранні галактики — коли вони встановили обертання і як скоро це вплинуло на їх структуру. Спіральні галактики, як наш Чумацький Шлях, обертаються, і це створює спіральну структуру. Багато галактик у дослідженні показали ознаки обертальних дисків і різноманітних структур.
Це суперечить очікуванням.
Згідно з загальноприйнятою думкою, ранні галактики повинні бути більш хаотичними і безладними. Часті галактичні зіткнення та злиття мали запобігти виникненню такої кількості структур у такому молодому Всесвітньому віці. «Ми бачимо багато галактик, які стикаються, але ми також бачимо, що деякі з них обертаються впорядковано без ознак зіткнень», — сказав Джон Сільверман з Інституту фізики та математики Всесвіту Кавлі в Японії.
Анімація художника про галактику в ранньому Всесвіті, яка дуже запилена і показує перші ознаки диска, що підтримує обертання. На цьому зображенні червоний колір позначає газ, а синій/коричневий — пил, як це видно в радіохвилях з ALMA. Багато інших галактик видно на задньому плані на основі оптичних даних VLT і Subaru.
Авторство зображення: B. Saxton NRAO/AUI/NSF, ESO, NASA/STScI; NAOJ/Subaru
Астрономи спостерігали далекі галактики з цього періоду часу, наприклад МАМБО-9 і диск Вулфа. МАМБО-9 дуже запилений, і Диск Вульфа має обертовий диск, тому вони були підказками того, що галактики можуть дозрівати швидше, ніж вважалося. Але, можливо, вони були винятковими, і потрібне було більш масштабне опитування, як-от ALPINE, щоб дати дослідникам більш чітку картину.
Художнє враження від Диска Вулфа, масивної обертової дискової галактики в ранньому запиленому Всесвіті. Галактику спочатку виявили, коли ALMA досліджувала світло від більш віддаленого квазара (угорі ліворуч). Авторство: NRAO/AUI/NSF, С. Даньелло
Але незважаючи на те, що ALPINE виявила кілька цих ранньоцвітих, астрономи досі не знають, як вони так швидко виросли і чому деякі з них мають обертові диски в такому молодому віці.
ДУША (Atacama Large Millimeter/submillimetre Array) відіграв величезну роль у цій роботі. Це надзвичайно потужний радіотелескоп, і це те, що потрібно, щоб побачити ці далекі галактики. Хоча багато з цих галактик в основному невидимі в оптичному та інфрачервоному світлі, вони можуть досить яскраво світити в міліметровому та субміліметровому випромінюванні. У той час як оптичні та інфрачервоні не можуть пробити пилові області, де утворюються зірки, або рух газу в цих галактиках, ALMA може. Насправді, оптичні та інфрачервоні телескопи іноді пропускають цілі галактики.
«З ALMA ми вперше відкрили кілька далеких галактик. Ми називаємо їх темними Хаббла, оскільки їх не можна було виявити навіть за допомогою телескопа Хаббла», – сказав Лін Янь з Каліфорнійського технологічного університету.
Три тарілочки, які складають великий міліметровий/субміліметровий масив Atacama (ALMA). Автор зображення: Х. Кальдерон – ALMA (ESO/NRAO/NAOJ)
Команда має намір продовжувати використовувати силу ALMA, щоб спробувати зрозуміти, чому ці молоді галактики настільки зрілі. Хоча ALPINE було опитуванням, яке використовувало 70 годин спостереження, вони хотіли б використовувати ALMA для спостереження за окремими галактиками протягом більш тривалого періоду часу. «Ми хочемо побачити, де саме знаходиться пил і як рухається газ. Ми також хочемо порівняти пилові галактики з іншими на такій же відстані і з’ясувати, чи є щось особливе в їхньому середовищі», – додав Паоло Кассата з Університету Падуї в Італії, раніше в Університеті Вальпараїсо в Чилі.
Звичайно, ALMA не може виконати цю роботу самостійно. ALPINE — це найбільше дослідження такого типу, де кілька телескопів на різних довжинах хвиль використовувалися для дослідження галактик у ранньому Всесвіті. Був використаний цілий парк оптичних прицілів, включаючи Hubble, Keck і VLT. І Шпіцера також були використані інфрачервоні можливості. Неможливо зрозуміти історію далеких галактик без спостережень на різних довжинах хвиль.
«Таке велике та складне дослідження можливе лише завдяки співпраці між кількома інститутами по всьому світу», – сказав Маттьє Бетермін з Laboratoire d’Astrophysique de Marseille у Франції.