Как гигантские галактики успели сформироваться в ранней Вселенной: исследование протоскопления SPT2349-56

Согласно стандартным моделям, крупные структуры во Вселенной формируются иерархически: малые объекты сливаются в средние, те — в большие, а на создание гигантов уходят еще миллиарды лет. Только вот наблюдения показывают обратное. Уже через 1,4 миллиарда лет после Большого взрыва (на красном смещении z = 4.3) существовали колоссальные скопления материи, которые по всем расчетам должны были бы формироваться гораздо дольше.

Новое исследование протоскопления SPT2349-56, проведенное с помощью телескопов ALMA, разобралось в причинах их возникновения. Астрономы зафиксировали процесс монолитного коллапса — механизм, позволяющий галактикам набирать массу с огромной скоростью.

Проблема времени и масштаба

В локальной Вселенной (то есть в наше время) самыми массивными объектами являются ярчайшие кластерные галактики. Это гигантские эллиптические структуры, расположенные в гравитационных центрах галактических скоплений. Их эволюция понятна: они медленно поглощают соседей на протяжении космических эпох.

Однако обнаружение объектов, подобных SPT2349-56, ставит под сомнение универсальность этого медленного сценария. SPT2349-56 представляет собой ядро протоскопления — чрезвычайно плотную область, в которой на пространстве менее 500 килопарсек (для сравнения: диаметр Млечного Пути — около 30 кпк) упаковано более 30 массивных галактик.

Интенсивность процессов здесь запредельна: совокупная скорость звездообразования достигает 4000 масс Солнца в год. Для сравнения, наша Галактика производит в среднем одну-две звезды в год. Главный вопрос, стоявший перед учеными: какая механика управляет этой системой? Как газ — топливо для звезд — перемещается между галактиками и почему эта гравитационно неустойчивая конструкция не распадается, а, наоборот, уплотняется?

Инструмент: ионизированный углерод

Наблюдать подобные объекты в оптическом диапазоне практически невозможно. Плотные облака пыли, сопровождающие бурное звездообразование, блокируют видимый свет. Чтобы заглянуть внутрь, астрономы использовали массив радиотелескопов ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array), работающий в миллиметровом диапазоне.

Ключевым индикатором стала спектральная линия ионизированного углерода [C II] на длине волны 158 микрометров. Выбор этого элемента объясняется тем, что ионизированный углерод служит идеальным маркером холодного газа. Он начинает светиться в двух случаях: либо под воздействием жесткого ультрафиолетового излучения от молодых массивных звезд, либо в результате нагрева ударными волнами, возникающими при столкновении газовых потоков. Картирование излучения углерода позволило увидеть не только сами галактики, но и распределенный газ между ними.

Механика взаимодействия: приливное обдирание

Результаты наблюдений выявили сложную структуру, связывающую три центральные массивные галактики скопления (обозначенные в работе как B, C и G). Пространство между ними не пусто. Оно заполнено гигантскими газовыми потоками — стримерами, протяженность которых достигает 60 килопарсек.

Природа этих потоков — гравитационная. Мы наблюдаем классический, но доведенный до экстремальных масштабов эффект приливного обдирания.

Когда две массивные галактики проходят близко друг к другу, их взаимная гравитация действует неравномерно на разные части соседа. Ближняя сторона притягивается сильнее, дальняя — слабее. В результате внешние газовые оболочки галактик срываются и вытягиваются в длинные дугообразные структуры.

В случае SPT2349-56 мы видим не изолированное взаимодействие пары, а сложную динамику тройной системы.

1. Западный стример: крупномасштабная структура, сформированная газом, выброшенным, предположительно, из галактики G.
2. Встречный стример: поток газа, движущийся в противоположном направлении, связывающий галактики B и C.

Общая масса газа в этих выбросах оценивается в 9х10⁹ масс Солнца. Это сопоставимо с полной массой газа крупной современной галактики, но здесь этот объем просто размазан по межгалактическому пространству.

Звездообразование в потоках

Самое важное открытие исследования касается состояния газа внутри стримеров. Согласно классическим представлениям, выброшенный приливными силами газ должен рассеиваться, становясь частью горячей межгалактической среды. Однако данные ALMA показывают другое.

Газ в стримерах остается холодным и молекулярным. Более того, он фрагментируется. Внутри потоков обнаружены плотные сгустки, в которых идет активное формирование звезд. Ученые зафиксировали, что эти сгустки гравитационно связаны, но находятся вне самих галактик.

Кинематический анализ (измерение скоростей движения газа) показал низкую дисперсию скоростей внутри потоков — от 40 до 130 км/с. Это свидетельствует о том, что газ, несмотря на масштабы выброса, сохраняет ламинарное течение и не разогревается до температур, останавливающих звездообразование. Турбулентность присутствует, но она недостаточна для разрушения молекулярных облаков.

Это означает, что тяжелые элементы (металлы), наработанные звездами в родительских галактиках, выносятся в межгалактическое пространство не в виде горячей плазмы, а в составе плотных холодных сгустков, которые продолжают эволюционировать автономно.

Монолитный коллапс вместо иерархии

Наблюдаемая картина подтверждает гипотезу монолитного коллапса для формирования самых массивных галактик Вселенной.

В иерархической модели объекты собираются последовательно. В модели монолитного коллапса огромный объем пространства, содержащий множество гало темной материи и газа, схлопывается практически одновременно.

В SPT2349-56 мы видим именно этот процесс. Галактики падают в общий гравитационный центр скопления группой. Приливные силы при этом выполняют функцию тормоза. Выбрасывая огромные массы газа в стримеры, галактики теряют угловой момент (момент импульса). Потеря энергии движения заставляет их сближаться быстрее, ускоряя финальное слияние.

Последствия для эволюции Вселенной

Данное открытие позволяет реконструировать жизненный цикл гигантских эллиптических галактик:

1. Фаза быстрого сбора (z > 4): множественные богатые газом галактики попадают в гравитационную ловушку протоскопления.
2. Фаза приливного разрушения: взаимодействия срывают газовые оболочки, формируя насыщенную металлами среду вокруг центра. В этой среде продолжают рождаться звезды.
3. Фаза релаксации: галактики сливаются в единое ядро. Оставшийся газ либо потребляется центральной сверхмассивной черной дырой, либо нагревается ударными волнами до рентгеновских температур, формируя гало горячего газа, характерное для современных кластеров.

Исследование SPT2349-56 доказывает, что природа способна создавать гигантские структуры в сжатые сроки, используя механизм гравитационной неустойчивости и массового выброса газа.

Источник:The Astrophysical Journal