Галактики дисковой формы, подобные Млечному Пути, обычно состоят из толстого и тонкого дисков звёзд, каждый из которых имеет свои особенности, включая звёздное население и движение. Для объяснения механизмов формирования и времени возникновения толстых и тонких дисков предложены три основных теоретических сценария.
Команда астрономов исследовала структуру дисковых галактик, используя данные, полученные с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба NASA. В выборку вошли более 100 дисковых галактик, наблюдаемых «плашмя», возрастом примерно до 11 миллиардов лет.
Анализ, опубликованный в «Monthly Notices of the Royal Astronomical Society», показал, что формирование толстого звёздного диска происходит раньше, а затем формируется тонкий звёздный диск.
Особенности дисковых галактик
Современные дисковые галактики часто содержат толстый, заполненный звёздами внешний диск и встроенный в него тонкий диск звёзд. Например, толстый диск Млечного Пути имеет высоту около 3000 световых лет, а тонкий диск — примерно 1000 световых лет в толщину.
Как формируется двойная дисковая структура?
Команда астрономов анализировала архивные данные многочисленных наблюдательных программ космического телескопа Джеймса Уэбба NASA. Они изучили 111 галактик, наблюдаемых «плашмя», в различные периоды — до 11 миллиардов лет назад (или примерно через 2,8 миллиарда лет после Большого взрыва).
Это первый раз, когда учёные исследовали структуры толстых и тонких дисков на таких огромных расстояниях, объединяя наблюдения за ранней Вселенной и галактической археологией.
«Уникальное измерение толщины дисков при высоком красном смещении, или в ранней Вселенной, является эталоном для теоретических исследований, которое стало возможным только с Уэббом», — сказал Такафуми Цукуи, ведущий автор статьи и исследователь из Австралийского национального университета в Канберре.
Благодаря разрешению Уэбба и его уникальной способности видеть сквозь пыль и выделять слабые старые звёзды, учёные могут идентифицировать двухдисковую структуру галактик и измерять толщину каждого диска отдельно.
Результаты исследования
Анализируя эти 111 объектов в течение космологического времени, команда смогла изучить галактики с одним диском и галактики с двумя дисками. Их результаты показывают, что галактики сначала формируют толстый диск, а затем — тонкий. Время, когда это происходит, зависит от массы галактики: галактики с высокой массой перешли к двухдисковой структуре около 8 миллиардов лет назад. В то же время галактики с низкой массой сформировали свои встроенные тонкие диски позже, примерно 4 миллиарда лет назад.
«Впервые стало возможным разрешить тонкие звёздные диски при более высоком красном смещении. Что действительно ново — это открытие времени, когда начинают формироваться тонкие звёздные диски», — сказала Эмили Висниски, соавтор статьи из Австралийского национального университета в Канберре.
Для объяснения перехода от одного толстого диска к толстому и тонкому диску и разницы во времени для галактик с высокой и низкой массой команда вышла за рамки своего первоначального образца галактик, наблюдаемых «плашмя», и изучила данные, показывающие движение газа из Атакамской большой миллиметровой/субмиллиметровой решётки (ALMA) и наземных наблюдений.
Учёт движения газовых дисков галактик показал, что результаты команды согласуются со сценарием «турбулентного газового диска», одной из трёх основных гипотез, предложенных для объяснения процесса формирования толстых и тонких дисков. В этом сценарии турбулентный газовый диск в ранней Вселенной вызывает интенсивное звездообразование, формируя толстый звёздный диск. По мере формирования звёзд они стабилизируют газовый диск, который становится менее турбулентным и, как следствие, более тонким.
Массивные галактики могут более эффективно преобразовывать газ в звёзды, поэтому они развиваются раньше, чем их маломассивные аналоги, что приводит к более раннему формированию тонких дисков. Команда отмечает, что формирование толстого и тонкого дисков не является изолированным событием: толстый диск продолжает расти по мере развития галактики, хотя и медленнее, чем скорость роста тонкого диска.
Чувствительность Уэбба позволяет астрономам наблюдать меньшие и более слабые галактики, аналогичные нашей, в ранние периоды времени с беспрецедентной ясностью. В этом исследовании команда отметила, что период перехода от толстого диска к толстому и тонкому диску примерно совпадает с формированием тонкого диска Млечного Пути. С помощью Уэбба астрономы смогут глубже изучить предшественников, подобных Млечному Пути, которые могли предшествовать Млечному Пути, что поможет объяснить историю формирования нашей галактики.
В будущем команда намерена включить в свой выборку другие точки данных.
«Хотя это исследование структурно различает тонкие и толстые диски, мы всё ещё хотим изучить гораздо больше», — сказал Цукуи. «Мы хотим добавить такую информацию, которую обычно получают для близлежащих галактик, например, о движении звёзд, возрасте и металличности. Таким образом, мы сможем объединить знания о галактиках вблизи и вдали и уточнить наше понимание формирования дисков».