Астрономы из Центра астрофизики | Гарвард и Смитсоновский институт предложили новое объяснение для некоторых из наиболее загадочных ранних галактик Вселенной, прозванных «красными точками».
В исследовании, [опубликованном в The Astrophysical Journal Letters][1], авторы Фабио Пакуччи и Авраам (Ави) Лоэб предполагают, что эти галактики являются результатом очень медленно вращающихся гало тёмной материи — чрезвычайно редкой космической структуры.
Эти слабые, компактные объекты, обнаруженные на изображениях глубокого космоса с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), поставили под сомнение представления учёных о том, как галактики и чёрные дыры формировались в ранней Вселенной.
Их статья «Космические выбросы: гало с низким вращением объясняют обилие, компактность и эволюцию красного смещения „маленьких красных точек“» предлагает физическое объяснение отличительных свойств точек.
«Маленькие красные точки — это очень компактные и красные далёкие галактики, которые были совершенно необнаруженными до космического телескопа Джеймса Уэбба», — сказал Пакуччи. «Они, пожалуй, самое удивительное открытие JWST на сегодняшний день. Наша работа показывает, что они могли естественным образом сформироваться в гало тёмной материи с очень низким вращением».
Эти галактики в основном видны, когда Вселенной был всего один миллиард лет, но, вероятно, образовались гораздо раньше, в период, известный как космический рассвет. Несмотря на то что они примерно в десять раз меньше обычных галактик, астрономические наблюдения показывают, что они выглядят необычно яркими. Астрономы полагают, что их яркий красный цвет говорит о том, что они окутаны пылью или наполнены старыми звёздами.
В течение многих лет астрономы обсуждали, является ли свет, который мы наблюдаем от этих объектов, результатом работы звёзд или центральных сверхмассивных чёрных дыр.
«Это фундаментальная загадка», — сказал Пакуччи. «Если в них есть чёрные дыры, то эти чёрные дыры огромны для таких маленьких галактик. Но если в них есть только звёзды, то галактики слишком компактны, чтобы вместить их все, достигая центральных звёздных плотностей, которые немыслимы».
Вместо того чтобы сосредотачиваться на том, что питает светящиеся точки, Пакуччи и Лоэб использовали другой подход: они изучили, как такие объекты могли образоваться в первую очередь.
Гало тёмной материи — это невидимый вращающийся каркас, вокруг которого формируются галактики. В своей статье авторы показывают, что светящиеся точки образуются в гало, которые находятся в нижних 1% распределения вращения. Другими словами, 99% всех гало вращаются быстрее, чем эти. Эти гало с низким вращением естественным образом создавали бы чрезвычайно компактные галактики. Подобно аттракционам на карнавале, чем быстрее вращается гало, тем дальше раскачиваются качели, заставляя галактику, формирующуюся в её центре, расширяться; аналогично, медленное вращение удерживает радиус качелей меньше.
Эта гипотеза также объясняет, почему светящиеся точки относительно редки: они составляют всего 1% от обилия типичных галактик, но более распространены, чем квазары — чрезвычайно яркие центры, в которых находятся сверхмассивные чёрные дыры, сияющие в центре некоторых галактик.
Кроме того, это помогает прояснить, почему светящиеся точки наблюдаются только в течение короткого 1-миллиардного периода в ранней Вселенной. По мере развития Вселенной гало тёмной материи становятся больше и приобретают больше [углового момента][2], что затрудняет формирование компактных галактик с низким вращением.
«Гало тёмной материи характеризуются скоростью вращения: некоторые из них вращаются очень медленно, а другие — быстрее», — сказал Лоэб. «Мы показали, что если предположить, что маленькие красные точки обычно находятся в первом процентиле распределения вращения гало тёмной материи, то можно объяснить все их наблюдаемые свойства».
Хотя в статье не решается вопрос о том, чем питаются маленькие красные точки — звёздами или чёрными дырами, — предполагается, что они являются идеальной средой для быстрого роста звёзд или чёрных дыр.
«Гало с низким вращением имеют тенденцию концентрировать массу в центре, что облегчает чёрной дыре аккрецию материи или быстрое формирование звёзд», — сказал Пакуччи.
Некоторые из точек демонстрируют широкие эмиссионные линии в своих спектрах, которые являются возможными признаками активных чёрных дыр, но у них отсутствует рентгеновское излучение, обычно связанное с ними. Пакуччи возглавляет новые программы, чтобы лучше понять природу этих своеобразных астрофизических источников. Например, поиск подобных близлежащих галактик прояснит, во что они эволюционируют дальше в космосе.
«Наша работа — это шаг к пониманию этих загадочных объектов», — сказал он. «Они могут помочь нам понять, как формировались первые чёрные дыры и как они развивались вместе с галактиками в ранней Вселенной».
[1]: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/ade871
[2]: https://phys.org/tags/angular+momentum/