Астрономы взяли на себя роль космических археологов, используя космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST), чтобы изучить более 100 дисковых галактик, существовавших до 11 миллиардов лет назад. Подобно тому, как артефакты, найденные на Земле, рассказывают историю человечества, эти галактики могут поведать о прошлом нашей собственной галактики — Млечного Пути.

Цель исследования заключалась в том, чтобы понять, почему такие галактики, как наша, состоят из толстых звёздных дисков, внутри которых находятся более тонкие диски. Каждый из этих дисков обладает своим уникальным звёздным населением и характером движения.

Учёные хотели выяснить, как и почему формируется такая «двойная» структура, и для этого изучили 111 дисковых галактик, видимых с Земли «с ребра». Впервые астрономам удалось исследовать толстые и тонкие диски галактик, существовавших в ранней Вселенной — всего через 2,8 миллиарда лет после Большого взрыва.

«Это уникальное измерение толщины дисков в эпоху высокой красного смещения, то есть в ранней Вселенной, стало важным ориентиром для теоретических моделей, и только JWST позволил нам его провести», — заявил руководитель исследования Такафуми Цукуи из Австралийского национального университета. «Обычно старые звёзды толстого диска слишком тусклые, а молодые звёзды тонкого диска затмевают их. Но благодаря разрешению JWST и его способности видеть сквозь пыль, мы смогли различить оба диска и измерить их толщину отдельно».

История Млечного Пути, записанная в далёких галактиках

Первым шагом команды было разделение 111 галактик на две категории: с двойным диском и с одним диском. Оказалось, что сначала галактики формируют толстый звёздный диск, и лишь позже внутри него появляется тонкий.

Учёные предположили, что время этого процесса зависит от массы галактики. Массивные галактики с одним диском превращались в двойные около 8 миллиардов лет назад (во Вселенной возрастом примерно 14 миллиардов лет). Менее массивные галактики проходили этот переход позже — около 4 миллиардов лет назад.

«Впервые нам удалось различить тонкие звёздные диски на таком большом красном смещении. Самое удивительное — понять, когда именно они начинают формироваться», — сказала Эмили Висниоски, участница исследования из Австралийского национального университета. «Обнаружить тонкие диски уже 8 миллиардов лет назад, а то и раньше, было неожиданно».

Затем команда попыталась выяснить, что именно вызывает этот переход. Для этого учёные вышли за рамки первоначальной выборки и изучили движение газа вокруг галактик, используя данные массива ALMA (66 антенн в Чили, работающих как единый телескоп) и других наземных обсерваторий.

Оказалось, что турбулентный газ в ранней Вселенной вызывал всплески звездообразования, создавая толстые диски. По мере формирования звёзд газ стабилизировался, становился менее турбулентным и истончался, что в итоге приводило к появлению тонкого диска.

Этот процесс занимает разное время у массивных и менее массивных галактик, потому что первые эффективнее превращают газ в звёзды. В результате газ в них истощается быстрее, и тонкий диск формируется раньше.

Это напрямую связано и с нашей галактикой: время перехода совпадает с периодом, когда, согласно теориям, у Млечного Пути сформировался тонкий диск.

Следующий шаг — расширение данных

Исследование показало, что JWST способен заглянуть в прошлое и найти галактики, эволюция которых повторяет историю Млечного Пути, позволяя использовать их как «космические архивы».

Следующая цель команды — добавить больше данных, чтобы проверить, сохраняются ли обнаруженные закономерности.

«Нам ещё многое предстоит изучить», — сказал Цукуи. «Мы хотим получить для далёких галактик те же данные, что обычно доступны для ближних: движение звёзд, их возраст и металличность (содержание элементов тяжелее водорода и гелия). Это поможет связать воедино знания о близких и далёких галактиках и уточнить наши представления о формировании дисков».

Исследование не только проливает свет на прошлое Млечного Пути, но и демонстрирует беспрецедентные возможности JWST в изучении ранней Вселенной.