Астрономы обнаружили одну из самых древних из известных на сегодняшний день мёртвых галактик и показали, что растущая сверхмассивная чёрная дыра этой галактики способна постепенно лишать её топлива, то есть не разрушая одномоментно, а медленно перекрывая доступ к газу, необходимому для процессов звездообразования.
Исследовательская группа Кембриджского университета проанализировала данные от космического телескопа "Джеймс Уэбб" и радиоинтерферометра ALMA (Atacama Large Millimeter Array, Атакамская Больша Миллиметровая Решётка) и обнаружила странную галактику, существовавшую в ранней Вселенной. Время её жизни примерно через три миллиарда лет после Большого взрыва. Наблюдения проводились как в инфракрасном диапазоне, чувствительном именно к звёздным объектам и ионизованному газу, так и в миллиметровых волнах, которые позволяют искать холодный молекулярный газ.
Объектом исследования стала галактика GS-10578, получившая неофициальное название галактика Пабло в честь астронома, впервые обратившего на неё внимание. Она интересно тем, что оказалась необычайно массивной для столь раннего космического времени. Её суммарная масса оценивается примерно в 200 миллиардов солнечных. Анализ спектров показал, что основная часть звёзд в этой системе сформировалась в относительно короткий интервал между 12,5 и 11,5 миллиарда лет назад, после чего образование новых звёзд практически прекратилось.
Почему в галактике перестали формироваться звёзды
По всем признакам галактика Пабло, как говорится, жила быстро и умерла молодой. Несмотря на сравнительно юный по космологическим меркам возраст, она оказалась лишена процессов активного звездообразования. Ключевой причиной этого оказалось почти полное отсутствие холодного газа, так как именно он служит исходным материалом для образования новых звёздных систем.
Основным фактором, ответственным за такое состояние галактики, исследователи считают сверхмассивную чёрную дыру в её центре. Однако и это ещё не всё. Возможно, вместо единственного катастрофичного эпизода, такого как мощный всплеск активности или слияние с другой галактикой, здесь наблюдается иной сценарий. Чёрная дыра, по-видимому, многократно нагревала газ внутри и вокруг галактики, не давая ему остыть и конденсировать. В результате подача элементов, необходимых для процессов звездообразования, постепенно прекращалась, и галактика умирала от серии "тысячи мелких порезов", а не от одного мощного явления. Эти выводы опубликованы в журнале Nature Astronomy.
Для проверки присутствия хоть какого-нибудь количества холодного газа команда провела почти семь часов наблюдений с помощью ALMA, пытаясь зарегистрировать излучение монооксида углерода, который является косвенным индикатором молекулярного водорода. Несмотря на исключительно глубокие наблюдения, сигнал обнаружен не был.
Как отметил соавтор работы доктор Ян Шольц из Кавендишской лаборатории и Института космологии Кавли, отсутствие газа само по себе оказалось информативным. Попытка исследования была одной из самых чувствительных для поиска такого рода холодного газа, но его в галактике практически не осталось. Это указывает на длительное и постепенное истощение, а не на быстрое катастрофическое уничтожение.
Ветры чёрных дыр и быстрая ликвидация
Дополнительные сведения дал спектроскопический пнализ, выполненный с помощью телескопа "Джеймса Уэбба". Он выявила мощные потоки нейтрального газа, исходящие из окрестностей сверхмассивной чёрной дыры со скоростями порядка 400 километров в секунду. По оценкам, эти ветры ежегодно уносят из галактики около 60 солнечных масс газа.
При таких темпах оставшиеся запасы топлива могли быть исчерпаны всего за 16–220 миллионов лет, что на порядки быстрее типичных скоростей истощения газа, которые для массивных галактик обычно составляют около миллиарда лет. Это подчёркивает эффективность обратной связи между активным ядром галактики и её межзвёздной средой.
При этом морфология галактики остаётся сравнительно спокойной. Как поясняет соавтор исследования доктор Франческо Д’Эудженио, наблюдаемая галактика напоминает упорядоченный вращающийся диск, что не согласуется с возможными недавними крупными слияниями. По реконструкции удалось установить, что звездообразование прекратилось около 400 миллионов лет назад, тогда как нынешняя активная фаза чёрной дыры началась позже. Следовательно, наблюдаемый сегодня выброс газа не стал непосредственной причиной остановки рождения новых звёзд. Более вероятно, что серия повторяющихся эпизодов активности в прошлом не позволяла газу возвращаться и накапливаться в галактике.
Оценив темпы звездообразования по времени, исследователи пришли к выводу, что приток свежего газа в галактику фактически отсутствовал. Вместо единовременного удаления всего газа чёрная дыра, по-видимому, на протяжении нескольких циклов нагревала или выталкивала поступающее вещество, не позволяя ему участвовать в образовании новых звёзд.
Как подчёркивает Шольц, для прекращения звездообразования не обязательно требуется катастрофическое событие, достаточно длительное время не подводить к галактике новое "топливо".
Оценка для галактик ранней Вселенной
Полученные результаты помогают объяснить увеличивающееся число массивных галактик, которые в наблюдениях "Джеймса Уэбба" выглядят неожиданно старыми для ранней Вселенной. До ввода этого телескопа в работу такие объекты практически не фиксировались, однако теперь ясно, что они встречаются значительно чаще, чем предполагалось ранее. Механизм постепенного истощения газа может оказаться ключом к пониманию того, почему подобные галактики быстро формируются и столь же рано прекращают своё развитие.
Работа также демонстрирует научную ценность сочетания сверхглубоких радионаблюдений ALMA с инфракрасной спектроскопией "Уэбба". В дальнейшем команда планирует изучить другие галактики этого класса, чтобы выяснить, является ли медленное голодание, а не единичные мощные выбросы, типичным сценарием для массивных систем в ранней Вселенной.
Кроме того, исследователи получили дополнительные 6,5 часа наблюдательного времени на приборе MIRI. Эти данные, чувствительные к более тёплому газу, должны прояснить, какие именно физические механизмы использует сверхмассивная чёрная дыра, чтобы эффективно подавлять образование звёзд в своей галактике-хозяине.