Międzynarodowy zespół pokazuje, że czerwone i martwe galaktyki można znaleźć zaledwie 700 milionów lat po Wielkim Wybuchu, co wskazuje, że galaktyki przestają tworzyć gwiazdy wcześniej niż przewidywały modele.
Przez długi czas naukowcy uważali, że we wczesnym Wszechświecie można zaobserwować jedynie galaktyki aktywnie formujące gwiazdy. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba ujawnił teraz, że galaktyki przestały tworzyć gwiazdy wcześniej niż oczekiwano. Niedawne odkrycie dokonane przez międzynarodowy zespół kierowany przez astronomów z Uniwersytetu Genewskiego (UNIGE) pogłębia napięcie między teoretycznymi modelami ewolucji kosmicznej a rzeczywistymi obserwacjami. Wśród setek widm uzyskanych za pomocą programu Webb RUBIES (Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey), zespół znalazł rekordową galaktykę, która już przestała tworzyć gwiazdy w epoce, w której galaktyki zwykle rosną bardzo szybko. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie Astrophysical Journal.
We wczesnym Wszechświecie typowa galaktyka pobiera gaz z otaczającego ją środowiska międzygalaktycznego i przekształca go w gwiazdy. Proces ten zwiększa masę galaktyki, prowadząc do jeszcze bardziej wydajnej akrecji gazu i przyspieszonych procesów gwiazdotwórczych. Jednakże, galaktyki nie rosną w nieskończoność, ze względu na proces, który astronomowie nazywają wygaszaniem.
Kluczowe czynniki w modelach teoretycznych mogą wymagać rewizji
W lokalnym Wszechświecie około połowa obserwowanych galaktyk przestała formować gwiazdy – zgasły i przestały rosnąć. Astronomowie nazywają je galaktykami spokojnymi, wygaszonymi lub czerwonymi i martwymi. Mają one czerwony kolor, ponieważ nie zawierają już młodych, jasnych niebieskich gwiazd – pozostały w nich jedynie starsze, mniejsze czerwone gwiazdy.
Szczególnie wysoki odsetek galaktyk w stanie spoczynku występuje wśród galaktyk masywnych, które często mają morfologię eliptyczną. Formowanie się takich czerwonych i martwych galaktyk zajmuje zwykle dużo czasu, ponieważ muszą one najpierw zbudować dużą liczbę gwiazd, zanim proces gwiazdotwórczy ostatecznie się zatrzyma. Nadal pozostaje wielką zagadką, co tak naprawdę powoduje wygaszanie galaktyk. Znalezienie pierwszych przykładów masywnych wygaszonych galaktyk (MQG) we wczesnym Wszechświecie ma kluczowe znaczenie, ponieważ rzuca światło na możliwe mechanizmy ich powstawania – powiedział Pascal Oesch, profesor nadzwyczajny na Wydziale Astronomii na Wydziale Nauk Ścisłych UNIGE i współautor artykułu. Poszukiwanie takich układów od lat jest głównym celem astronomów.
Obserwacje sprzeczne z teoretycznymi oczekiwaniami
Dzięki rozwojowi technologii, w szczególności spektroskopii w bliskiej podczerwieni, astronomowie potwierdzili istnienie masywnych uśpionych galaktyk w coraz wcześniejszych okresach kosmicznych. Ich obfitość była trudna do pogodzenia z teoretycznymi modelami formowania się galaktyk, które przewidują, że formowanie się takich układów powinno trwać dłużej. Dzięki teleskopowi Webba napięcie to zostało posunięte do przesunięcia ku czerwieni 5 (1,2 miliarda lat po Wielkim Wybuchu), gdzie w ostatnich latach potwierdzono istnienie MQG. Nowe badania prowadzone przez UNIGE ujawniają, że galaktyki te powstały nawet wcześniej i szybciej niż dotąd uważano.
W drugim cyklu JWST, szeroko zakrojony program RUBIES, jeden z największych europejskich programów badań pozagalaktycznych z wykorzystaniem NIRSpec, uzyskał obserwacje spektroskopowe kilku tysięcy galaktyk, w tym setek nowo odkrytych źródeł z wczesnych danych obrazowania JWST.
Rekordowa martwa galaktyka
Wśród tych nowych widm naukowcy zidentyfikowali najbardziej odległą MQG znalezioną do tej pory, ze spektroskopowym przesunięciem ku czerwieni wynoszącym 7,29, zaledwie ~700 milionów lat po Wielkim Wybuchu. Widmo NIRSpec/PRISM ujawnia zaskakująco starą populację gwiazd w tak młodym Wszechświecie. Szczegółowe modelowanie widma i danych obrazowych pokazuje, że galaktyka wytworzyła masę gwiazdową ponad 10 miliardów mas Słońca w ciągu pierwszych 600 milionów lat po Wielkim Wybuchu, a następnie gwałtownie zaprzestała formowania gwiazd, potwierdzając tym samym jej spokojny charakter.
Odkrycie tej galaktyki, nazwanej RUBIES-UDS-QG-z7, sugeruje, że masywne, spokojne galaktyki w pierwszym miliardzie lat istnienia Wszechświata są ponad 100 razy liczniejsze niż przewidywano w jakimkolwiek dotychczasowym modelu – powiedziała Andrea Weibel, doktorantka na Wydziale Astronomii UNIGE i pierwsza autorka pracy. To z kolei sugeruje, że kluczowe czynniki w modelach teoretycznych (np. wpływ wiatrów gwiazdowych i masywnych czarnych dziur) mogą wymagać rewizji. Galaktyki umierały znacznie wcześniej niż przewidywały modele.
Wgląd w jądra masywnych galaktyk
Wreszcie, niewielki fizyczny rozmiar RUBIES-UDS-QG-z7, wynoszący zaledwie ~650 lat świetlnych, implikuje wysoką gęstość masy gwiazdowej porównywalną z najwyższymi gęstościami centralnymi obserwowanymi w galaktykach w stanie spoczynku na nieco niższych przesunięciach ku czerwieni (z ~2-5). Galaktyki te prawdopodobnie przekształciły się w jądra najstarszych i najbardziej masywnych galaktyk eliptycznych w lokalnym Wszechświecie. Odkrycie RUBIES-UDS-QG-z7 dostarcza pierwszych mocnych dowodów na to, że jądra niektórych pobliskich masywnych galaktyk eliptycznych mogły już istnieć od pierwszych kilkuset milionów lat istnienia Wszechświata – podsumowała Anna de Graaf, główna badaczka programu RUBIES, doktorantka w Instytucie Astronomii Maxa Plancka w Heidelbergu i druga autorka artykułu.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
UNIGE
