Недавние открытия показывают новую популяцию галактик на раннем этапе развития Вселенной с подавленными процессами звездообразования, в которых они происходят быстрее и раньше, чем это предполагает теория эволюции галактик.
В то время как большинство вымерших галактик Мы видим, что сегодня вели довольно пассивный образ жизни, далекие пассивные галактики в ранней Вселенной могли иметь более активный путь к вымиранию. Детальные исследования близлежащих спокойных галактик показали, что они следуют прямолинейному эволюционному пути: в начале их жизни вспыхивает звездообразование, за которым следует мирное существование с низкой скоростью звездообразования. С другой стороны, недавние открытия выявили новую популяцию спящих галактик, которые вымирают быстрее и раньше, чем это было бы возможно, если бы они следовали этому прямолинейному пути эволюции. Существование такого количества спящих галактик на такой ранней стадии развития Вселенной является проблемой для эволюции галактик, а интенсивную фазу звездообразования и быстрое угасание звездообразования трудно воспроизвести в космологических симуляциях.
Важный оставшийся без ответа вопрос, связанный с этой проблемой, заключается в том, как внезапно прерываются или гаснут вспышки звездообразования в этих галактиках? Пресекаются ли потоки газа из космической паутины, питающей звездообразование? Или газ входит и выходит через какие-то механизмы обратной связи? Один из таких возможных механизмов запускается центральной сверхмассивной черной дырой галактики , которая изливает материю и образует вокруг себя диск из раскаленного газа и пыли, создавая Активное Галактическое Ядро (АЯГ) . АЯГ поглощает часть газа, а остальное выбрасывает радиация, ветер и потоки.
В статье , опубликованной 29 марта 2022 г., авторы используют обширный каталог многоволновых наблюдений COSMOS2020 для изучения активности АЯГ в спокойных галактиках в космическое время с помощью двух основных сигнатур АЯГ: рентгеновских лучей .и радиоизлучение. Однако многие из этих галактик и возможные АЯГ внутри них, особенно самые отдаленные, настолько слабы, что не могут быть обнаружены по отдельности с помощью рентгеновских и радиоисследований. Чтобы преодолеть эту слабость и сосредоточиться на распространенных (не очень ярких) источниках, авторы используют технику, называемую суммированием (наложение изображений), для характеристики средних свойств выборки спокойных галактик и сравнительной выборки звездообразующих галактик. В дополнение к сравнению стопок спокойных галактик и галактик звездообразования, авторы создают сетку стопок звездной массы (насколько велика галактика) и красного смещения (насколько далеко и, следовательно, как рано находится галактика во Вселенной) для изучения тренды по этим осям.
Чтобы построить сетку скоплений галактик, авторы использовали наблюдения за длинами волн, на которых галактики были обнаружены по отдельности (в оптическом и инфракрасном диапазонах), и красные смещения из каталога COSMOS2020, чтобы решить, какие галактики являются звездообразующими, а какие тихими, и насколько они массивны. из них. Затем авторы использовали наблюдения на длинах волн, на которых галактики не были обнаружены по отдельности (рентгеновские лучи и радиоволны), чтобы поместить сложенные наблюдения в сетку звездной массы и красного смещения. Полученная выборка является самой большой выборкой типичных спящих галактик с самым высоким красным смещением из когда-либо созданных.
Первым анализом стопок авторов были рентгеновские данные.
В дополнение к выявлению общих тенденций, физическая интерпретация этих наборов требует понимания того, что вызывает рентгеновское излучение. Рентгеновское излучение исходит из двух основных источников: рентгеновских двойных систем , которые содержат плотные обломки звезды, энергично зачерпывающие материал звезды на своей орбите, и AGN.
Основываясь на известных соотношениях между скоростью звездообразования и массой звезд в галактике, а также ожидаемом количестве рентгеновских двойных, авторы определили относительный вклад рентгеновских двойных и АЯГ. Из этих моделей они обнаружили, что рентгеновские двойные системы могут объяснить большую часть рентгеновского излучения в стопках звездообразующих галактик. С другой стороны, для спокойных галактик среднее рентгеновское излучение в каждой стопке было в 5-50 раз выше, чем ожидалось только от рентгеновских двойных звезд, что позволяет предположить, что большая часть рентгеновского излучения исходит от АЯГ. Более того, наибольшая разница между выборками звездообразования и спокойной была обнаружена в самом высоком диапазоне красных смещений, что свидетельствует о том, что
Для дальнейшей проверки своих выводов авторы сопоставили данные другой основной сигнатуры AGN: радиоизлучения. Как и в случае с рентгеновским излучением, радиоизлучение исходит из двух основных источников в галактиках: один связан с продолжающимся процессом звездообразования, а другой связан с АЯГ. Учитывая эмпирически известную корреляцию между скоростью звездообразования и радиояркостью, авторы обнаружили, что стопки покоящихся галактик имеют в 3-10 раз больше радиоизлучения, чем можно было бы ожидать от самого процесса звездообразования, в то время как стопка звездообразующих галактик может быть объясняется в первую очередь звездообразованием. В соответствии с результатами рентгеновских исследований это говорит о повсеместном распространении слабых АЯГ в спящих галактиках.
Как работает механизм обратной связи AGN для вымирания галактик? Мы знаем, что в близких галактиках это поглощение имеет тенденцию происходить с более активными АЯГ. Это связано с двумя процессами: обратной связью с квазаром и обратная связь от радиоисточника. В обратной связи квазара ветер от яркого АЯГ выталкивает газ из галактики и препятствует звездообразованию. В случае обратной связи от радиоисточника обычно более слабый АЯГ нагревает газ внутри и вокруг галактики с помощью радиоструй, что препятствует охлаждению газа и образованию звезд. Таким образом, обратная связь от радиоисточника поддерживает состояние покоя, а не только снижает возможность звездообразования при выбросе топлива. Авторы отмечают, что их слабый, типичный образец, вероятно, подвергается в основном радиообратной связи с некоторым поглощением в среде, не связанной с AGN, при меньшем красном смещении.
Так что же эти груды говорят нам об эволюции галактик? Вездесущие сигнатуры АЯГ, как в рентгеновских лучах, так и в радиоволнах, дают нам интересные сведения о процессах вымирания: обычные спокойные галактики часто имеют АЯГ, и обратная связь от слабых АЯГ внутри них, вероятно, приведет к отключению звездообразования в галактиках, поэтому внезапно и рано во Вселенной.