Согласно наиболее распространённой космологической модели, первые звёзды и галактики начали формироваться примерно через 300–400 миллионов лет после Большого взрыва. Они образовались из облаков нейтрального водорода, заполнявших Вселенную, что привело к быстрому формированию звёзд в течение примерно 1 миллиарда лет. С запуском космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) астрономы и космологи наконец-то получили возможность наблюдать некоторые из этих ранних галактик. Хотя они считали, что тогда существовали только формирующиеся звёзды, наблюдения «Джеймса Уэбба» показали нечто весьма удивительное.
В недавнем исследовании международная группа учёных под руководством астрономов из Женевского университета (UNIGE) представила спектры, полученные в рамках программы «Исследование Вселенной с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба» (RUBIES). Их результаты показывают, что, когда считалось, что галактики всё ещё довольно быстро растут, одна из них, по-видимому, уже «остановила» этот процесс. Их результаты показывают, что формирование звёзд происходило быстрее, чем ожидалось, что усиливает «противоречие» между предыдущими космологическими моделями и наблюдениями Уэбба за ранней Вселенной.
Исследование было проведено под руководством Андреа Вайбель, аспирантки-астронома Женевского университета и участницы исследовательской группы «Формирование галактик на заре Вселенной». К нему присоединились исследователи из Института астрономии Общества Макса Планка (MPIA), Центра междисциплинарных исследований и разработок в области астрофизики (CIERA), Центра «Космический рассвет» (DAWN), Института Нильса Бора, Международного центра радиоастрономических исследований (ICRAR), Центра передового опыта ARC в области астрофизики всего неба в трёх измерениях (ASTRO 3D), Национальной лаборатории исследований в области оптической и инфракрасной астрономии (NOIRLab) и нескольких университетов.
На основе наблюдений, проводившихся в течение десятилетий, астрономы и космологи выявили закономерность в эволюции галактик. Новые звёзды формируются путём аккреции пыли и газа из межгалактической среды (МГС), что приводит к росту галактик и более эффективному процессу аккреции и формированию звёзд. В конце концов, галактики «затухают», то есть перестают формировать новые звёзды и становятся «спокойными». По мере того, как молодые и яркие звёзды умирают, в этих галактиках начинают преобладать красные карликовые звёзды, что привело к появлению термина «красные и мёртвые» галактики.
Причины затухания до сих пор обсуждаются, и теории варьируются от звёздных ветров и выбросов до сверхмассивных чёрных дыр (SMBH). Однако стандартные модели показывают, что галактикам потребовалось бы очень много времени, чтобы достичь этой фазы в своей эволюции. Благодаря достижениям в области спектроскопии в ближнем инфракрасном диапазоне (NIR) астрономы находили примеры неактивных галактик всё раньше и раньше в истории Вселенной, но самые ранние из них остаются неуловимыми.
Открытие этих галактик поставило под сомнение общепринятые космологические модели, поскольку считается, что процесс затухания занимает очень много времени. «Обнаружение первых примеров массивных неактивных галактик (MQG) в ранней Вселенной имеет решающее значение, поскольку проливает свет на возможные механизмы их формирования», — сказал соавтор исследования Паскаль Оэш, доцент кафедры астрономии факультета естественных наук UNIGE. Это напряжение только усилилось благодаря Уэббу, который обнаружил свидетельства существования сверхмассивных чёрных дыр уже через 1,2 миллиарда лет после Большого взрыва.
Основываясь на своем анализе, Вэйбэй и его коллеги обнаружили, что эти галактики сформировались даже раньше и быстрее, чем считалось ранее. Эти наблюдения были частью цикла 2 программы общего наблюдения Уэбба (GO), одной из крупнейших европейских программ. Кампания опиралась на прибор Webb's Near-Infrared Spectrometer (NIRSpec) для получения спектров тысяч галактик со значениями красного смещения z > 7, когда возраст Вселенной составлял около 1 миллиарда лет.
Среди наблюдаемых объектов учёные обнаружили самую удалённую на сегодняшний день MQG (RUBIES-UDS-QG-z7), которая существовала примерно через 700 миллионов лет после Большого взрыва. Детальное моделирование показывает, что эта галактика накопила более 10 миллиардов солнечных масс вещества, прежде чем быстро перейти в состояние покоя. Это говорит о том, что ключевые механизмы общепринятой модели космологии нуждаются в пересмотре. «Открытие этой галактики, получившей название RUBIES-UDS-QG-z7, означает, что массивных спокойных галактик в первые миллиарды лет существования Вселенной было более чем в 100 раз больше, чем предсказывалось любой из существующих на сегодняшний день моделей», — сказал Вайбель.
Диаметр галактики RUBIES-UDS-QG-z7 составляет всего ~650 световых лет, что означает более высокую плотность звёздной массы, чем у неактивных галактик в локальной Вселенной. Предполагается, что эти галактики эволюционируют в ядра массивных эллиптических галактик, которые мы наблюдаем сегодня. «Открытие RUBIES-UDS-QG-z7 предоставляет первые убедительные доказательства того, что центры некоторых близлежащих массивных эллиптических галактик, возможно, уже существовали в первые несколько сотен миллионов лет существования Вселенной», — сказала Анна де Грааф из Института астрономии Макса Планка и главный исследователь программы RUBIES.