Галактикам из ранней Вселенной разрешили быстро формировать перемычки

Астрономы обнаружили самую далекую на сегодня дисковую галактику с перемычкой. GN20 существовала спустя 1,5 миллиарда лет после Большого Взрыва, а ее свойства говорят о том, что богатые барионной материей в виде газа массивные галактики в ранней Вселенной способны быстро формировать перемычки, что ранее казалось маловероятным. Препринт работы доступен на сайте arXiv.org.

Центральная перемычка (или бар) представляет собой одну из самых распространенных структурных особенностей дисковых галактик: около 50–70 процентов спиральных галактик обладают перемычками, в том числе и наша собственная. Считается, что перемычки связаны с нестабильностями во вращающемся звездном диске галактики, возникающими из-за внешних или внутренних возмущений, и формируются постепенно, на протяжении миллиардов лет. В эволюции галактик бары играют важную роль, например, направляя потоки газа внутрь галактики, что подпитывает звездообразование в балдже и активность ядра, где содержится сверхмассивная черная дыра. Кроме того, бары рассматриваются как потенциальные инициаторы волн плотности, ответственных за возникновение спиральных рукавов.

Случаи обнаружения галактик с перемычками в первые два миллиарда лет жизни Вселенной привели к пересмотру теоретических моделей образования этих структур: их необычно быстрое формирование в молодой Вселенной теперь объясняется обилием барионной материи в дисках галактик или ускоренной эволюцией нестабильностей в дисках галактик в те времена. При этом идея о том, что обилие газа в галактическом диске тормозит или препятствует образованию перемычек, противоречит растущим данным наблюдений за рядом далеких галактик, которые оказываются значительно богаче газом, чем их аналоги в Местной Вселенной. Чтобы устранить имеющиеся противоречия и уточнить модели формирования перемычек, необходимо увеличивать выборку очень далеких дисковых галактик, обладающих этими структурами. До недавнего времени наиболее далекой системой с баром была SPT-2147, существовавшая спустя примерно 1,6 миллиарда лет после Большого Взрыва.

Группа астрономов во главе с Лейндертом Бугардом (Leindert A. Boogaard) из Лейденской обсерватории сообщила о прямом обнаружении нового рекордно далекого галактического бара. Он входит в состав галактики GN20, наблюдения за которой велись в инфракрасном диапазоне при помощи инструментов NIRCam и MIRI «Джеймса Уэбба», а еще — в субмиллиметровом диапазоне при помощи наземного радиотелескопа NOEMA.

Красное смещение GN20 составляет 4,055, что означает, что мы видим ее такой, какой она была через 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва. Обнаруженная на изображениях галактики перемычка содержит как газ, так и звезды, и способна объяснить крайне высокий темп звездообразования в GN20 (более тысячи масс Солнца в год) — она направляет потоки газа и пыли в центральную зону галактики. В пользу наличия перемычки говорят и особенности кинематики ионизированного газа в диске. Возраст звезд в галактическом баре оценивается в триста миллионов лет.

Что касается самой галактики, то она обладает динамически холодным и массивным (около 5,4 × 10¹¹ масс Солнца) диском, в котором доминирует барионная (около 70 процентов) материя, представленная в основном газом. Содержание газа в диске составляет примерно 75 процентов от его общей массы.

Свойства GN20 говорят о том, что галактические бары действительно могут образовываться в богатых барионами и газом турбулентных дисках из ранней Вселенной, причем обилие газа, который будет играть доминирующую роль в формировании полного гравитационного поля галактики, позволит перемычкам возникать на масштабах в сотни миллионов лет, что на порядки быстрее, чем в Местной Вселенной. В будущем перемычка в GN20 может менее чем за миллиард лет исчезнуть, став частью центрального балджа галактики. Или же она сохранится на более долгое время, если процесс роста балджа будет ограничен, например активностью ядра, признаки которого GN20 демонстрирует. А еще возможно, что галактика находится на этапе трансформации массивных запыленных галактик со вспышками звездообразования, наблюдающихся на больших красных смещениях, в массивные спокойные галактики, наблюдаемые в Местной Вселенной.

Самая далекая на сегодня спиральная галактика тоже найдена «Джеймсом Уэббом» — систему назвали «Чжулун».