Zespół naukowców zaobserwował masywną i niezwykle aktywną galaktykę spiralną z poprzeczką we wczesnym Wszechświecie.
Astronomowie odkryli, że w porównaniu do współczesnych galaktyk, ta olbrzymia galaktyka spiralna ma istotne podobieństwo w kształcie i różnice w ruchu gazu. Odkrycie to poprawia nasze zrozumienie tego, w jaki sposób galaktyki spiralne z poprzeczką, takie jak nasza własna Galaktyka Drogi Mlecznej, rosną i ewoluują.
We wczesnym Wszechświecie, ponad 10 miliardów lat temu, liczne monstrualne galaktyki formowały gwiazdy w tempie ponad 100 razy szybszym niż Droga Mleczna. Chociaż istnieje kilka galaktyk, które przechodzą procesy gwiazdotwórcze w podobnym tempie nawet w obecnym Wszechświecie, prawie wszystkie z nich to galaktyki zderzające się lub łączące. Na tej podstawie naukowcy założyli, że tak intensywne procesy gwiazdotwórcze w monstrualnych galaktykach są również wywołane znacznym napływem gazu do ich wnętrz w wyniku zderzeń lub łączenia się galaktyk, a po wyczerpaniu się gazu ewoluują one w olbrzymie galaktyki eliptyczne.
Monstrualne galaktyki znajdują się daleko od Ziemi i są przesłonięte przez ogromne ilości pyłu generowanego przez intensywne procesy gwiazdotwórcze, co czyni je trudnymi do zaobserwowania na falach optycznych. Do niedawna ich kształt i mechanizm (proces fizyczny), który napędza takie wybuchy procesów gwiazdotwórczych, pozostawały w dużej mierze nieznane. Jednak niedawne obserwacje obrazowania w podczerwieni za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba ujawniły monstrualne galaktyki o niezwykłej strukturze dysku. Wywołało to nowe pytanie: Dlaczego monstrualne galaktyki, które wydają się być zwykłymi galaktykami dyskowymi, doświadczają tak intensywnych wybuchów procesów gwiazdotwórczych?
Zespół naukowców kierowany przez Shuo Huanga obrał za cel monstrualną galaktykę o strukturze spiralnej z poprzeczką we Wszechświecie 11,1 miliarda lat temu. Galaktyka o nazwie J0107a, znajdująca się przy przesunięciu ku czerwieni z=2,467, została przypadkowo odkryta w 2014 roku podczas obserwacji pobliskiej łączącej się galaktyki VV 114. Zdjęcia VV 114 wykonane przez JWST w bliskiej podczerwieni, opublikowane w 2023 roku, ujawniły, że J0107a jest wyjątkowo masywnym przykładem monstrualnej galaktyki, o masie ponad dziesięciokrotnie większej niż Droga Mleczna i tempie formowania gwiazd około 300 razy większym niż nasza Galaktyka. Co jeszcze bardziej zaskakujące, J0107a ma idealną strukturę spiralną z poprzeczką, jedną z największych i najbardziej wyraźnych spośród wszystkich galaktyk w tej epoce kosmicznej. Kształtem przypomina ona bardziej współczesne galaktyki spiralne z poprzeczką niż jakiekolwiek inne wcześniej zaobserwowane monstrualne galaktyki. Podczas gdy potrzeba więcej informacji na temat kinematyki gazu, aby zbadać czynniki stojące za intensywnym formowaniem się gwiazd w J0107a, obserwacje spektroskopowe galaktyki pokrytej pyłem są niezwykle trudne, nawet przy użyciu Teleskopu Webba.
Zespół badawczy wykorzystał następnie ALMA do obserwacji linii emisyjnych tlenku węgla i neutralnych atomów węgla i odkrył, że J0107a bardzo przypomina współczesne galaktyki spiralne z poprzeczką, takie jak Droga Mleczna, pod względem kształtu struktury poprzeczki, a także dystrybucji i ruchu związanego z nią gazu. Z drugiej strony, zespół odkrył również, że podczas gdy udział gazu w strukturze poprzeczki współczesnej galaktyki wynosi mniej niż 10% całkowitej masy, w przypadku J0107a jest on bardzo wysoki i wynosi około 50%. Dane pokazują, że struktura poprzeczki J0107a, która składa się z gwiazd i gazu o masie znacznie większej niż masa współczesnych galaktyk, porusza dysk, tworząc przepływ gazu z prędkością kilkuset kilometrów na sekundę w promieniu 20 000 lat świetlnych wokół centrum galaktyki, co odpowiada odległości od centrum Drogi Mlecznej do Układu Słonecznego. Część tego gazu wpada do centrum galaktyki, powodując intensywne procesy gwiazdotwórcze. Żadne wcześniejsze teoretyczne badania formowania się galaktyk nie przewidywały istnienia monstrualnej galaktyki o strukturze z poprzeczką.
Jest to pierwsza udana bezpośrednia obserwacja wybuchu procesów gwiazdotwórczych wywołanego napływem gazu bezpośrednio z poprzeczki we wczesnym Wszechświecie. Konwencjonalne teorie powstawania i ewolucji monstrualnych galaktyk zakładają, że intensywny proces gwiazdotwórczy następują w wyniku zderzeń i fuzji galaktyk lub niestabilności grawitacyjnej w ich dyskach, przekształcając je następnie w eliptyczne w ciągu setek milionów lat. Tymczasem zakłada się, że J0107a rozwinęła kształt przypominający współczesną galaktykę spiralną z poprzeczką, zachowując jednocześnie ekstremalne właściwości fizyczne monstrualnej galaktyki, w ciągu setek milionów lat we wczesnym Wszechświecie zaledwie 2,6 miliarda lat po Wielkim Wybuchu. Szczegółowe dane na temat dystrybucji gazu i kinematyki uzyskane z tej obserwacji dostarczą ważnych wskazówek nie tylko dla pochodzenia monstrualnych galaktyk, ale także dla badań nad formowaniem się i ewolucją poprzeczek w innych galaktykach, ponieważ jesteśmy świadkami procesu formowania się struktur poprzeczek we wczesnym Wszechświecie.
Shuo Huang, lider zespołu badawczego, powiedział: Znaczna ilość gazu wymagana do wzrostu olbrzymich galaktyk jest dostarczana przez fuzje galaktyk lub napływy z kosmicznych sieci. Chociaż nie ma oznak fuzji galaktyk, wokół J0107a wykryto duży dysk gazowy. Ten dysk gazowy ma średnicę około 120 000 lat świetlnych, co stanowi dwukrotność średnicy głównego ciała galaktyki widocznego jako gwiazdy, a jego ruch z grubsza podąża za samą galaktyką. Na tej podstawie zakładamy, że powstał on z dużej ilości gazu, który kieruje się spiralnie w stronę galaktyki z kosmicznej sieci. Jest to nowy obraz monstrualnej galaktyki, w której galaktyka dyskowa powstaje z przepływów gazu w skali galaktycznej i wybuchów procesów gwiazdotwórczych. Będziemy kontynuować nasze badania obserwacyjne za pomocą ALMA, aby przyjrzeć się temu bliżej.
Uwaga: Te przepływy gazu są przewidywane teoretycznie i określane jako zimne strumienie.
Wyniki badań zostały opublikowane 21 maja 2025 roku w czasopiśmie Nature.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Więcej informacji:
- A Fierce Storm in a Giant Barred Spiral Galaxy 11 Billion Years Ago
- Large gas inflow driven by a matured galactic bar in the early Universe
Źródło: ALMA
Na ilustracji: Po lewej: Obraz w bliskiej podczerwieni pobliskiej galaktyki VV114 i tła monstrualnej galaktyki spiralnej z poprzeczką J0107a przy z=2,433 uchwycony przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (źródło: NASA). Po prawej: Rozkład gazu gwiazdowego i molekularnego J0107a. Źródło: NASA, ALMA(ESO/NAOJ/NRAO), Huang i inni
