У большинства современных галактик есть спиральные рукава. Именно в этих галактиках идет самое активное звездообразование, поэтому астрономам важно знать, когда во Вселенной появились такие относительно сложные структуры. Новое исследование показало, что значительная доля галактик уже были спиральными, когда Вселенной исполнилось около двух миллиардов лет.
С помощью наблюдений космического телескопа «Хаббл» астрономы выяснили, что галактики с красным смещением около единицы (тогда Вселенной было 5,9 миллиарда лет) по своей структуре похожи на современные, но дальше картина меняется. Чем больше красное смещение, тем более неравномерными и «комковатыми» выглядят галактики.
В исследовании, опубликованном в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society в 2022 году, астрономы по снимкам «Хаббла» вычислили, что лишь десятая доля галактик были спиральными, когда Вселенной было примерно два миллиарда лет (при красном смещении три). При этом ученые понимали, что «Хабблу» не хватает чувствительности, чтобы видеть все структурные особенности настолько далеких объектов.
Авторы новой работы, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal Letters, использовали данные космического телескопа «Джеймс Уэбб». С их помощью ученые исследовали галактики с красным смещением до четырех (два миллиарда лет после Большого взрыва). И обнаружили среди них немало спиральных структур.
Исследователи отобрали 873 галактики с массой более 10 миллиардов солнечных масс. Все шесть соавторов исследования просмотрели снимки вручную на предмет наличия спиральной структуры. Галактика считалась спиральной, если больше половины ученых помечали ее таковой. В результате статус спиральных получили 216 галактик, из них 108 объектам все участники группы дали положительную оценку.
Проанализировав собранные данные, авторы подтвердили, что доля спиральных галактик уменьшается вместе с «омоложением» Вселенной. Оказалось, визуально в более древних галактиках действительно почти не видно спиральных рукавов. Тем не менее, если учесть этот эффект, получится, что их процент падает не так быстро, как показал «Хаббл».
Авторы работы рассчитали нижнюю границу доли спиральных галактик при разном возрасте Вселенной. У них получилось, что в возрасте 3,7 миллиарда лет треть (33%) галактик Вселенной имели спиральную структуру. В возрасте от 2,4 до 2,9 миллиарда лет — около четверти. В возрасте 1,985 миллиарда лет — более 20 процентов, то есть как минимум каждая пятая была спиральной.
«Раньше ученые считали, что большинство спиральных галактик сформировалось через шесть или семь миллиардов лет после формирования Вселенной. Но наше исследование показало, что уже спустя два миллиарда лет было достаточно спиральных галактик. Это означает, что формирование галактик происходило гораздо быстрее, чем мы думали», — объяснил Ичэн Го (Yicheng Guo), соавтор работы.
Получается, эти галактики начали свое образование, когда Вселенной был примерно один миллиард лет, а к двум миллиардам лет они приняли форму диска. При этом, как отметили авторы исследования, до четырех миллиардов лет после Большого взрыва в спиральных галактиках сохранялись неровности и «комки», несмотря на наличие рукавов.
«Существует множество гипотез о том, как формируются спиральные рукава галактик, и у разных типов спиральных галактик могут быть разные механизмы формирования. Новая информация поможет нам лучше сопоставить физические свойства галактик с теориями — и создать более сложный космический таймлайн», — объяснила Вики Кун из Департамента физики и астрономии Миссурийского университета (США), руководитель исследования и одна из главных авторов новой публикации.
