Обнаружена очень далекая «мертвая» галактика

Галактика ZF-COSMOS-20115 в представлении художника. Иллюстрация © Leonard Doublet с сайта keckobservatory.org

Международная группа астрофизиков открыла самую далекую массивную галактику без звездообразования. Мы видим ее в тот момент, когда Вселенной было всего 1,65 миллиарда лет. Но при этом видеть ее мы не должны: современные эволюционные модели прямо запрещают существование таких далеких «мертвых» галактик.

Согласно стандартной космологической модели, первые галактики, еще очень небольшие, без выраженной структуры, образовались спустя 400 тысяч лет после Большого взрыва. После этого они постепенно накапливали массу, формировали спиральные рукава, сталкивались и в течение нескольких миллиардов лет продолжали производить звезды из холодного водорода, которого в таких галактиках содержится в избытке. Обнаружение 10–15 лет назад с помощью глубоких обзоров неба в ИК-диапазоне «мертвых» галактик на красных смещениях до z ~ 3, когда Вселенной было чуть больше 3 миллиардов лет, было большим прорывом наблюдательной астрофизики. Потребовалась модификация моделей эволюции галактик, чтобы объяснить, как во Вселенной всего за три миллиарда лет образовались галактики, в которых новые звезды больше не появляются.

Еще более удивительными оказались опубликованые несколькими независимыми группами исследователей данные об обнаружении более далеких «мертвых» галактик, в которых нет звездообразования, хотя возраст Вселенной составлял всего 2 миллиарда лет. Определение красного смещения в этом случае, правда, основано на фотометрическом анализе (это изучение снимков галактик, полученных в разных фильтрах) и может содержать значительные ошибки, меняющие возраст галактик на несколько миллиардов лет. Поэтому последние несколько лет астрофизики пытались найти как можно более далекую галактику без звездообразования, расстояние до которой можно было бы измерить с помощью спектрального анализа: в этом случае погрешность определения красного смещения составляет всего около полутора процентов (на таких больших красных смещениях это дает погрешность в определении расстояния до галактики всего порядка сотни миллионов световых лет).

И вот в этом году такая галактика была найдена. Международная группа астрофизиков под руководством Карла Глейзбрука (Karl Glazebrook) из Технологического университета Суинберна в Австралии опубликовала в журнале Nature статью со спектроскопическим измерением красного смещения галактики ZF-COSMOS-20115. Сама галактика была открыта тремя годами ранее на 6,5-метровом Магеллановом телескопе в рамках обзора ZFOURGE. Этот обзор организован большой группой астрофизиков, куда входит и Глейзбрук, и нацелен на поиск и определение характеристик далеких галактик. Его проводят с помощью пяти узкополосных фильтров на длине волны от одного до двух микрон, что соответствует ближнему ИК-диапазону. Сочетание огромной собирающей площади зеркала и современных фильтров, работающих в ИК-диапазоне, позволило открыть 75 тысяч галактик, удаленных от нас более чем на 7 миллиардов световых лет.

Проводя анализ галактик из обзора ZFOURGE, Глейзбрук заметил, что среди всех обнаруженных галактик девятнадцать вели себя особым образом: были хорошо заметны в дальнем ИК-диапазоне, но абсолютно не видны на более коротких волнах. Подобное поведение объясняется «обрывом Бальмера» (Balmer jump), то есть поглощением УФ-фотонов невозбужденными атомами водорода. Благодаря эффекту Доплера излучение далеких галактик сдвигается в область больших длин волн. Поэтому если телескопы регистрируют этот обрыв не в ультрафиолете, а в ИК-диапазоне, то это явный признак того, что галактика от нас очень далека.

Дальнейшее исследование галактики надо было проводить на более мощном телескопе, поэтому группа подала заявку на наблюдение с помощью спектрометра MOSFIRE, который установлен на десятиметровом телескопе Кека на Гавайях. Это ровно то, что нужно для изучения такой удаленной галактики: MOSFIRE работает на одном из самых больших телескопов и при этом является самым чувствительным инфракрасным спектрометром в мире.

Обнаружена очень далекая «мертвая» галактика
Обнаружена очень далекая «мертвая» галактика

Спектр галактики ZF-COSMOS-20115. На всех трех полосах указан один и тот же интервал длин волн в микрометрах. a — двумерный спектр, полученный прибором MOSFIRE. Высота полосы определяется физическими размерами щели, сквозь которую проходит свет, раскладываемый в спектр. Чем ярче линия, тем сильнее принимаемое излучение. Белые вертикальные полосы — это спектральные линии земной атмосферы, которые были убраны из обработанного изображения. b — сглаженный спектр с убранными шумами и случайными флуктуациями. Он использовался для получения информации о галактике. с — представление спектра на графике, где по вертикали отложена плотность потока излучения. Зеленым выделены линии поглощения серии Бальмера. Серые и черные линии — это оригинальный и сглаженный спектр. Красной линией показан характерный спектр галактики без звездообразования. Голубой профиль указывает области спектра, где большой вклад вносит атмосфера Земли. Чтобы получить истинный спектр галактики, эти области были дополнительно откалиброваны с помощью спектров известных стандартных звезд. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Заявка на наблюдение была одобрена и в январе 2016 года в течение 11 часов телескоп регистрировал фотоны, долетающие до нас из галактики ZF-COSMOS-20115. Измеренный спектр позволил точно определить красное смещение галактики: z = 3,717. То есть свет, дошедший до телескопа Кека, покинул ZF-COSMOS-20115, когда Вселенной было всего лишь 1,65 из нынешних 13,7 миллиардов лет. Данные телескопа «Хаббл», космической ИК-обсерватории «Спитцер» и ряда наземных обсерваторий (всего 36 снимков в различных фильтрах), полученные с момента обнаружения галактики в ходе исследований другими научными группами, помогли дополнить картину и составить полноценный «паспорт» галактики ZF-COSMOS-20115.

Обнаружена очень далекая «мертвая» галактика

Слева — изображение галактики ZF-COSMOS-20115, полученное телескопом «Хаббл» в ИК-диапазоне. Справа — композитные изображения, полученные наземными ИК-телескопами (вверху) и наземными оптическими телескопами (внизу). Максимум излучения галактики приходится на длину волны 2 мкм, которая соответствует ИК-диапазону, и из-за красного смещения галактика не регистрируется оптическими телескопами. Изображение из обсуждаемой статьи в Nature

Ее масса (точнее, масса только звезд, измеренная на основе сравнения излучения в оптических фильтрах) оказалась в три раза больше массы Млечного Пути. При этом галактика очень компактна (ее эффективный радиус всего лишь 500 парсек, то есть в 120 раз меньше Млечного Пути), и, что самое удивительное, ее спектр содержит ярко выраженные линии поглощения серии Бальмера. Серия Бальмера (не путать с «обрывом Бальмера»!) — это набор длин волн, который характерен для электронов атомов водорода, испускающих фотоны при переходе с более высоких уровней на второй энергетических уровень. Наличие линий поглощения Бальмера в спектре галактики — это обязательное условие существования звезд класса А, то есть короткоживущих звезд чуть массивнее Солнца (см. Спектральные классы звезд). Они живут всего 200–1000 миллионов лет, а значит, в своем недавнем прошлом галактика еще формировала новые звезды. Однако в ее спектре не было найдено никаких признаков наличия более массивных (и живущих еще меньше) звезд классов O и B, что говорит об отсутствии в этой галактике активного формирования новых звезд.

Ширина и глубина линий поглощения Бальмера в галактике ZF-COSMOS-20115 позволяет судить о текущей скорости звездообразования: у молодых ярких звезд есть сильные линии излучения, особенно Hβ, соответствующая переходу с четвертого на второй энергетический уровень. Если таких звезд много, то они должны «забивать» линию поглощения, найденную в этой галактике, делая ее менее глубокой и выраженной. Таким образом, можно уверенно предположить, что там сейчас образуется не более четырех звезд в год. Это сравнимо с темпом звездообразования Млечного Пути, но крайне мало как для большинства галактик той эпохи, так и для самой ZF-COSMOS-20115 — ведь в недавнем прошлом она рождала по тысяче звезд в год.

Этот вывод может показаться неочевидным, однако логика тут проста: мы наблюдаем галактику в тот момент, когда Вселенной было всего 1,65 миллиарда лет, значит она не может быть старше 1,3 миллиарда лет, ведь современная космология достаточно подробно описывает состояние ранней Вселенной в первые несколько сотен миллионов лет, и это явно не самое подходящее время для образования галактик. Моложе трехсот миллионов лет она тоже быть не может, поскольку физики накладывают ограничения на максимальный темп звездообразования в галактике, связанный с условиями охлаждения облаков водорода: только холодное облако может эффективно сжиматься и превратиться в звезду. Если использовать максимально возможный темп звездообразования (2–3 тысячи солнечных масс в год) и не забыть про то, что галактика не формирует новые звезды уже как минимум сто миллионов лет, то мы и получим триста миллионов лет — самый короткий возможный период, чтобы набрать массу около 140 миллиардов масс Солнца.

Прогнав с помощью статистического метода Монте-Карло теоретически просчитанные модели эволюции галактик, астрофизики пришли к выводу, что ее наиболее вероятный возраст составляет 700 миллионов лет. А в последние 400 тысяч лет активного звездообразования в ней не было — это опять же определяется по отсутствию линий излучения в ее спектре. И вот эти выводы наталкиваются на противоречия, которые трудно объяснить в контексте нынешних моделей эволюции галактик.

Во-первых, не до конца ясен механизм такого взрывного звездообразования. Что заставило весь газ так эффективно сжиматься, что процессы, идущие при обычных условиях миллиарды лет, завершились в такие незначительные по космическим меркам сроки? Возможным объяснением (для которого, впрочем, еще не найдено подтверждений) может быть слияние двух галактик схожих размеров. В этом случае гравитационное возмущение могло перемешать газ настолько удачно, что он начал очень быстро остывать и сжиматься, формируя сотни миллионов протозвезд. Сейчас трудно сказать, правильное ли это объяснение: компьютерные симуляции пока не могут воспроизвести этот сценарий, да и других примеров подобных галактик пока не найдено.

Во-вторых, само существование таких галактик оказалось сюрпризом. Согласно всем космологическим моделям, на красном смещении z ~ 3,7 могут присутствовать только молодые галактики, которые активно рождают новые звезды. А за 700 миллионов лет до этого не должно быть никаких галактик с подобной или близкой массой — они просто не успевали бы формироваться. Более того, если эти галактики всё же образуются, то первые несколько сотен миллионов лет они должны работать как массовые конвейеры по производству звезд — по 2–3 в день. Мощность современных телескопов вполне достаточна, чтобы обнаружить подобные галактики даже на таких гигантских расстояниях. Однако мы их не видим!

Возможно, что дело тут в пыли. Недавно обнаруженный класс галактик, Dust-obscured star-forming galaxies (звездообразующие галактики, скрытые в пыли), может поддерживать требуемый высокий темп звездообразования (они способны увеличить свою звездную массу в 5 раз всего за 50 миллионов лет!) за счет огромных запасов холодного водорода, который окружает области появления новых звезд и не пропускает наружу оптическое излучение (см. L. Riguccini et al., 2011. Dust-obscured star formation and the contribution of galaxies escaping UV/optical color selections at z ~ 2). Такие галактики могут изучаться только с помощью космических ИК- или наземных радио- или субмиллиметровых телескопов, характеристики которых пока не дотягивают до лучших оптических телескопов. Поэтому мы можем только приближенно оценивать их параметры. Эти галактики находят на красных смещениях до z = 6, и они, по оценкам астрофизиков, могут быть «прародителями» галактик с такими свойствами, как у ZF-COSMOS-20115.

Но это еще не всё. Теория эволюции галактик не висит в воздухе, она должна хорошо вписываться в общую космологическую картину. И тут появляется новое противоречие: современные модели накладывают жесткие ограничения на скорость формирования гало темной материи и на соотношение темной и барионной (то есть привычной нам) материй в галактиках. Массу темной материи можно получить численно, зная возраст галактики и возраст Вселенной на момент ее формирования. Если соотношение темной и барионной материи выполняется (а противоречий этому мы пока не видим), то легко рассчитать полную барионную массу галактики.

И вот тут ученые обнаружили удивительную картину: более трети всех протонов и нейтронов галактики ZF-COSMOS-20115 находятся в звездах. Это небывалая величина: во всех современных самых массивных галактиках доля барионов в звездах не превышает 5–10%, а остальная часть находится в галактиках в виде пыли и газа. То есть для того, чтобы снова стать «нормальной» (с нужным процентом звездной массы), ZF-COSMOS-20115 в какой-то момент времени просто прекратила формировать новые звезды, но при этом в нее продолжился приток новых барионов в виде водорода. По какой причине этот газ не стал источником новых волн звездообразования — мы не знаем. Но мы точно знаем, что этого не случилось, потому что в противном случае масса галактики продолжала бы расти и сейчас ZF-COSMOS-20115 была бы самой массивной галактикой из известных нам. Мы хорошо представляем себе характеристики миллионов галактик в локальной Вселенной и таких галактик не видим, следовательно что-то в далеком прошлом остановило формирование новых звезд.

Несколько подкорректировать выводы ученых (и, соответственно, частично спасти текущую модель эволюции галактик) может обнаружение так называемого скрытого звездообразования — явления, при котором молодые звезды укрыты от телескопов таким толстым слоем пыли, что оптическое излучение просто не доходит до нас. Обнаружить это скрытое звездообразование в галактике, удаленной от нас на 12 миллиардов световых лет, можно в субмиллиметровом или радиодиапазоне. В июле 2017 года вышла статья международной группы астрофизиков, представляющих 23 университета, которые использовали данные комплекса радиотелескопов ALMA в Чили и субмиллиметрового детектора SCUBA-2, установленного на телескопе Максвелла на Гавайях. Ученые утверждают, что не только обнаружили это скрытое звездообразование в галактике ZF-COSMOS-20115, но и что оно находится на расстоянии 3 килопарсек от координат ее центра, то есть вдалеке от места основного скопления звезд. Это может указывать на сложную морфологию галактики, в которой внутри протяженного гало темной материи присутствует массивное и «мертвое» ядро, а также существует область активного звездообразования, в которой может формироваться до 100 новых светил в год.

Ясно, что одна галактика, какой бы уникальной она ни была, не может полностью поменять наше представление об эволюции Вселенной. Однако она может задать направление для новых поисков. Наблюдения, которые уже ведутся на телескопе ALMA, ставят своей целью поиск новых галактик, похожих по своим свойствам на ZF-COSMOS-20115. Запуск ИК-телескопа Джеймса Уэбба, о котором упоминают авторы обеих статей, намечен на 2018 год и должен значительно увеличить количество далеких галактик, для которых можно будет проводить спектроскопические наблюдения, а значит, список подобных «мертвых» галактик на больших красных смещениях скоро будет пополняться.

Источник: elementy.ru

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here

5 + 14 =