Masywna galaktyka testuje obecne teorie ewolucji galaktyk

Wizja artystyczna przedstawiająca młodą, martwą galaktykę dyskową MACS2129-1 w porównaniu do rozmiarów Drogi Mlecznej (po lewej). Choć trzykrotnie bardziej masywna niż Droga Mleczna, to dwa razy mniejsza. MACS2129-1 także rotuje dwa razy szybciej niż Droga Mleczna. W Drodze Mlecznej widzimy kolor niebieski w miejscach gdzie zachodzą intensywne procesy formowania gwiazd, podczas gdy młoda, martwa galaktyka jest żółta, co wskazuje na starszą populację gwiazd i brak procesów gwiazdotwórczych. Źródło: NASA, ESA, Z. Levy (STScI)

Łącząc moc „naturalnej soczewki” w przestrzeni kosmicznej  z możliwościami Kosmicznego Teleskopu Hubble’a, naukowcy dokonali zaskakującego odkrycia – udało się dostrzec pierwszą kompaktową, a jednocześnie masywną, szybko rotującą galaktykę dyskową, w której gwiazdy przestały powstawać zaledwie kilka miliardów lat po Wielkim Wybuchu.

Odkrycie takiej galaktyki we wczesnej historii Wszechświata stanowi wyzwanie dla naszych obecnie obowiązujących modeli formowania i ewolucji masywnych galaktyk.

Gdy Hubble sfotografował ów obiekt, astronomowie spodziewali się, że ujrzą chaotyczną sferę gwiazd powstałą wskutek łączenia galaktyk. Zamiast tego jednak ujrzeli gwiazdy ułożone w płaski dysk.

To pierwszy bezpośredni dowód obserwacyjny na to, że przynajmniej niektóre wczesne, tzw. „martwe” galaktyki – w których ustały procesy gwiazdotwórcze – rozpoczynały swoją ewolucję jako podobne do Drogi Mlecznej galaktyki dyskowe, aby z czasem przeobrazić się w gigantyczne galaktyki eliptyczne, które obserwujemy dzisiaj.

To spore zaskoczenie, ponieważ galaktyki eliptyczne zawierają starsze gwiazdy, w przeciwieństwie do spiralnych, w których zazwyczaj obserwujemy młodsze, niebieskie gwiazdy. Przynajmniej niektóre z tych wczesnych, martwych galaktyk dyskowych musiały w swojej historii przejść poważne przemiany, nie tylko zmieniając swoją strukturę lecz także orbity tworzących je gwiazd, aby z etapu galaktyki dyskowej przejść na etap galaktyki eliptycznej.

Te nowe informacje mogą zmusić nas do ponownego przeanalizowania całego kosmologicznego kontekstu wczesnego wypalania się galaktyk i ewolucji galaktyk dyskowych w eliptyczne – mówi Sune Toft z Centrum Ciemnej Kosmologii w Instytucie Nielsa Bohra na Uniwersytecie w Kopenhadze. Być może wcześniej nie zauważyliśmy, że wczesne martwe galaktyki mogą być galaktykami dyskowymi, po prostu dlatego, że nie mieliśmy danych o wystarczającej rozdzielczości.

Wcześniejsze badania odległych martwych galaktyk zakładały, że budową przypominają one lokalne galaktyki eliptyczne, w które z czasem wyewoluują. Potwierdzenie tego założenia zasadniczo wymaga silniejszych teleskopów niż te, którymi obecnie dysponujemy. Niemniej jednak zjawisko „soczewkowania grawitacyjnego”, w którym masywna gromada galaktyk działa niczym naturalna soczewka w przestrzeni kosmicznej, powiększa i zniekształca obraz galaktyk leżących dużo dalej. Łącząc moc takiej soczewki z rozdzielczością Kosmicznego Teleskopu Hubble’a naukowcy byli w stanie zajrzeć w środek martwej galaktyki.

Grawitacja ekstremalnie masywnej gromady galaktyk MACS J2129-0741 powiększa, rozjaśnia i zniekształca odległą galaktykę tła MACS2129-1 przedstawioną w górnym kwadracie. Środkowy kwadrat przedstawia grawitacyjnie soczewkowaną galaktykę. W dolnym kwadracie przedstawiono odtworzony obraz galaktyki pozwalający nam zobaczyć jak wyglądałaby ta galaktyka gdyby między nią a nami nie było gromady galaktyk. Źródło: NASA, ESA, M. Postman (STScI) oraz zespół CLASH

Odległa galaktyka jest niemal trzykrotnie masywniejsza od Drogi Mlecznej choć jest dwa razy od niej mniejsza. Pomiary prędkości rotacyjnej wykonane za pomocą Bardzo Dużego Teleskopu (VLT) wykazują, że galaktyka rotuje dwa razy szybciej od Drogi Mlecznej.

Wykorzystując dane archiwalne zebrane w ramach przeglądu CLASH (Cluster Lensing And Supernova survey with Hubble), Toft wraz ze swoim zespołem był w stanie określić masę gwiazd w galaktyce, tempo formowania gwiazd i ich wiek.

Jak na razie nie wiadomo dlaczego w tej galaktyce ustały wszelkie procesy gwiazdotwórcze. Może to być skutek działania aktywnego jądra galaktycznego, w którym supermasywna czarna dziura w centrum galaktyki emituje potężne ilości energii. Taka energia hamuje procesy gwiazdotwórcze podgrzewając gaz i wywiewając go z galaktyki. Może być też tak, że zimny gaz wpływa do galaktyki ulegając gwałtownemu sprężeniu i ogrzaniu, uniemożliwiając chłodzenie gazu i powstawanie zimnych obłoków molekularnych w centrum galaktyki.

W jaki sposób jednak te młode, masywne, kompaktowe dyski ewoluują w eliptyczne galaktyki obserwowane w obecnym wszechświecie? Najprawdopodobniej w procesach łączenia galaktyk –  mówi Toft. Jeżeli takie galaktyki rosną w procesie łączenia z mniejszymi towarzyszami, a tych może być naprawdę dużo i zbliżają się do galaktyki z różnych kierunków, to mogą one powodować tworzenie chaotycznych orbit gwiazd w galaktyce. Możemy też wyobrazić sobie łączenie dwóch dużych galaktyk. W takim przypadku także obserwowalibyśmy niszczenie uporządkowanego ruchu gwiazd.

Wyniki badań opublikowano 22 czerwca w periodyku Nature. Toft wraz ze swoim zespołem planuje wykorzystać Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba do poszukiwań większej liczby takich galaktyk.

Źródło: NASA Goddard Space Flight Center