На протяжении всей космической эволюции карликовые галактики, хотя и малы по отдельности, многочисленны и служат фундаментальными строительными блоками, формирующими крупномасштабную структуру современной Вселенной. Эти небольшие галактики также являются предками нашего Млечного Пути.
Карликовые галактики — не только «сырьё» для построения массивных галактик, но и могут хранить секреты формирования первых звёзд и чёрных дыр во Вселенной. Однако из-за низкой массы, неглубоких гравитационных колодцев и сложных взаимодействий с газом учёным долгое время было трудно понять механизмы формирования карликовых галактик и их эволюционную связь с окружающей газовой средой.
Прорыв в моделировании
Недавно научный сотрудник Пэй-Чэн Тун и ассистент-исследователь Кэ-Цзюнь Чен из Института астрономии и астрофизики Академии Синика успешно разработали прорывное космологическое моделирование. Впервые, используя беспрецедентное пространственное и массовое разрешение, они систематически изучили процесс совместной эволюции карликовых галактик и их окружающей окологалактической среды (CGM). Результаты были опубликованы в последнем выпуске «Астрономического журнала».
В этом исследовании использовалось хорошо известное крупное космологическое моделирование IllustrisTNG в качестве начальных условий, а также применялся код моделирования GIZMO в сочетании с методом «разделения частиц» для повышения разрешения моделирования одной галактики в 100 раз. Моделирование успешно зафиксировало многофазовую структуру газа и детали переноса металлов внутри и вокруг карликовых галактик.
Это одно из моделирований с наивысшим разрешением в мире, посвящённое галактикам с низкой массой. Моделирования опирались на крупномасштабные суперкомпьютерные мощности Национального энергетического исследовательского вычислительного центра (NERSC) Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (LBNL). Такие моделирования обычно требуют миллионов часов работы процессора и представляют собой технический порог, достигнутый лишь несколькими группами в мире.
Результаты моделирования
Результаты моделирования показывают, что звездообразование в карликовых галактиках тесно связано с поступлением холодного газа в CGM. Более 40–70% массы галактики происходит из притока газа, и почти половина холодного газа, необходимого для звездообразования, поступает из CGM, что указывает на то, что галактика и её газовая среда образуют взаимодействующую «экосистему».
Кроме того, исследование количественно проследило, как металлы, высвобождаемые звёздами, переносятся в CGM галактическими ветрами, впоследствии охлаждаясь и рециркулируя в окружающей среде, что дополнительно влияет на будущую эффективность звездообразования в галактике.
Особенно примечательно, что моделирование обнаружило, что даже в эпохи высокого красного смещения ранней Вселенной чёрные дыры в центрах карликовых галактик проявляли значительную прерывистую активность аккреции. Это подтверждает теоретическую гипотезу о том, что карликовые галактики могут служить колыбелью для семян сверхмассивных чёрных дыр, и согласуется с недавними наблюдениями космического телескопа Джеймса Уэбба процессов формирования активных галактических ядер с высоким красным смещением.
Это исследование не только устанавливает новый эталон для моделей эволюции карликовых галактик, но и предоставляет конкретные, проверяемые прогнозы для обсерваторий следующего поколения, таких как JWST, Атакамская большая миллиметровая/субмиллиметровая решётка и готовящийся к запуску космический телескоп Нэнси Грейс Роман. К таким прогнозам относятся распределение температуры и металлов в CGM, влияние истории аккреции чёрных дыр на светимость галактик и временные масштабы рециркуляции металлов внутри и за пределами маломассивных галактик.
Доктор Кэ-Цзюнь Чен заявил: «Эта работа знаменует новую эру, когда теоретические моделирования достигли точности, необходимой для соответствия деталям наблюдений, позволяя нам впервые количественно исследовать истинную природу малых галактик в ранней Вселенной. Комбинируя моделирование с высоким разрешением с данными наблюдений, мы приближаемся к критической точке в ответах на фундаментальные вопросы, такие как „Как формировались первые галактики?“ и „Как росли первые чёрные дыры?“»
Институт астрономии и астрофизики, Академия Синика.