Массивные, древние галактики, в океане тёмной материи.⁠⁠

Источники - https://alma-telescope.jp/en/news/dark-matter-201712

https://nplus1.ru/news/2017/12/08/massive-primordial-galaxies

Астрономы ожидают, что первые галактики, сформировавшиеся всего за несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, будут иметь много общего с некоторыми из карликовых галактик, которые мы наблюдаем сегодня. Эти ранние агломерации в несколько миллиардов звезд, затем станут строительными блоками больших галактик, которые стали доминировать во Вселенной после первых нескольких миллиардов лет.

Однако постоянные наблюдения Atacama (ALMA) обнаружили удивительные примеры массивных галактик, заполненных звездами, которые наблюдались, когда космосу было менее миллиарда лет. Это говорит о том, что более мелкие галактические строительные блоки могли быстро собраться в крупные галактики.

Последние наблюдения ALMA еще более ускоряют эту эпоху формирования массивной галактики, идентифицируя две гигантские галактики, наблюдаемые, когда вселенной было всего 780 миллионов лет, или около 5 процентов ее нынешнего возраста. ALMA также показало, что эти необычно большие галактики расположены внутри еще более массивной космической структуры, ореол темной материи с такой же массой, как несколько триллионов солнц.

Две галактики находятся в такой непосредственной близости - меньше расстояния от Земли до центра нашей галактики, - что вскоре они сольются, образуя самую большую галактику, когда-либо наблюдаемую в тот период космической истории. Это открытие дает новые подробности о появлении крупных галактик и о роли, которую играет темная материя в сборе самых массивных структур во Вселенной.

Исследователи сообщают о своих выводах в журнале Nature.

«Благодаря этим наблюдениям АЛМА, астрономы видят самую массивную галактику, известную в первые миллиарды лет Вселенной в процессе ее сборки», - сказал Дан Марроне, адъюнкт-профессор астрономии в Университете Аризоны в Тусоне.

Астрономы видят эти галактики в период космической истории, известный как эпоха реионизации, когда большая часть межгалактического пространства была заполнена туманом холодного газообразного водорода. По мере образования большего количества звезд и галактик, их энергия в конечном итоге ионизировала водород между галактиками, раскрывая вселенную, как мы ее видим сегодня.

Галактики, которые Марроне и его команда изучали, коллективно называемые SPT0311-58, первоначально были идентифицированы как единый источник на Южном полюсном телескопе Национального научного фонда. Эти первые наблюдения показали, что этот объект был очень далек и ярко светился в инфракрасном свете, что означало, что он был чрезвычайно пыльным и, вероятно, переживал всплеск звездообразования. Последующие наблюдения с ALMA показали расстояние и двойственную природу объекта, четко разрешая пару взаимодействующих галактик.

Совокупное изображение, показывающее данные ALMA (красный) двух галактик SPT0311-58. Эти галактики показаны с помощью космического телескопа Хаббла (синий и зеленый). Данные ALMA показывают пыльное свечение двух галактик. Образ галактики справа искажается гравитационным линзированием. Ближайшая передняя линзирующая галактика - это зеленый объект между двумя галактиками, отображаемыми ALMA.

Чтобы сделать это наблюдение, ALMA получила некоторую помощь от гравитационной линзы, которая обеспечила наблюдательный импульс телескопу. Гравитационные линзы формируются, когда промежуточный массивный объект, подобно скоплению галактик или галактик, изгибает свет от более далеких галактик. Они, однако, искажают внешний вид исследуемого объекта, требуя сложных компьютерных моделей для восстановления изображения, поскольку оно появляется в неизмененном состоянии.

Астрономы определили, что быстрое образование звезд этой галактики, вероятно, было вызвано близким столкновением с его немного меньшим спутником, в котором уже размещено около 35 миллиардов солнечных масс звезд и увеличивается скорость вспышки звезды с рекордным темпом 540 солнечных масс в год.

Пара из двух галактик, получившая обозначение SPT0311−58, первоначально была обнаружена в инфракрасном диапазоне при помощи 10-метрового телескопа SPT (South Pole Telescope). В дальнейшем объект исследовался в широком спектральном диапазоне при помощи системы ALMA, к наблюдениям также подключились космический телескоп «Хаббл», инфракрасный космический телескоп «Спитцер» и наземный 8-метровый телескоп «Gemini South», которые дали данные о структуре и параметрах галактик.

Наблюдения показали, что объект сильно излучает в инфракрасном диапазоне, что говорит о наличии большого количества пыли. Значение красного смещения z для SPT0311−58 составило 6,9, это означает, что объект существовал во времена, когда возраст Вселенной насчитывал лишь 780 миллионов лет. Изображения галактик искажены из-за действия «гравитационной линзы» — спиральной галактики, видимой с ребра, которая находится между ними и земным наблюдателем. Она помогла разглядеть галактики, однако исследователям пришлось прибегнуть к процессу «де-линзирования», заключающемуся в восстановлении исходных изображений галактик при помощи компьютерного моделирования.

Новые наблюдения также позволили исследователям вывести присутствие поистине массивного гало темного вещества, окружающего обе галактики. Темная материя обеспечивает тягу силы тяжести, которая заставляет Вселенную образовывать структуры (галактики, группы и скопления галактик и т. Д.).

«Если вы хотите увидеть, имеет ли галактика смысл в нашем современном понимании космологии, вы должны взглянуть на темное вещество гало - разрушенную структуру темной материи, в которой оно проживает», - сказал Крис Хейуорд, научный сотрудник Центра для вычислительной астрофизики в Институте Уоллирона в Нью-Йорке. «К счастью, мы очень хорошо знаем соотношение между темной материей и нормальной материей во Вселенной, поэтому мы можем оценить, какова должна быть масса гало темной материи».

Сравнивая их расчеты с современными космологическими предсказаниями, исследователи обнаружили, что это гало является одним из самых массивных, которые должны существовать в те времена.

Результаты наблюдений галактик телескопом ALMA в линиях [C II] и [O III] без и с коррекцией эффекта линзирования. Реконструированное изображение галактик показано на рисунке c.

Окончательные цифры.

Выяснилось, что объект состоит из двух компактных галактик SPT0311-58 E и SPT0311-58 W, расстояние между которыми оценивается менее, чем в 8 килопарсек. Галактики гравитационно взаимодействуют и в будущем сольются, образовав одну. SPT0311-58 E имеет эффективный радиус 1,1 килопарсек, тогда как SPT0311-58 W имеет вытянутую форму, размером 7,5 килопарсек в поперечнике.

Оценки содержания газа и пыли в галактике SPT0311-58 W равны (2,7±1,7)×1011 масс Солнца и (2,5±1,6)× 109 масс Солнца, а для SPT0311-58 E эти значения составляют (0,4±0,2)×1011 масс Солнца и (0,4±0,2)×109 масс Солнца. Обе галактики характеризуются колоссальными скоростями звездообразования, которые составляют примерно 540 и 2900 масс Солнца в год. Предполагается, что это вызвано их гравитационным взаимодействием.
Такие темпы переработки газа в новые звезды характерны для других массивных запыленных галактик со значениями красного смещения z>6, например HFLS3, или некоторых близких квазаров. Однако, в случае SPT0311-58 нет никаких признаков активности центральных черных дыр в обеих галактиках, кроме того запасы газа у галактики SPT0311-58 W значительно выше, чем у всех известных галактик при z>6.
Предполагается, что поставщиком газа может быть одно из самых массивных гало из темной материи, существовавших в те времена, окружающее пару галактик. Оценки его общей массы колеблются от 4×1011 до (1,4-7,0)×1012 масс Солнца, в зависимости от принятого содержания барионной материи в гало. Несмотря на свою уникальность, существование такой системы не противоречит существующей космологической парадигме.