Наблюдения космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) позволили астрономам обнаружить принципиальные различия в формировании звёзд между современными и древними галактиками. Если в локальной Вселенной этот процесс протекает медленно и стабильно, то в ранние эпохи он, вероятно, происходил прерывисто — всплески активности чередовались с периодами «затишья».

Результаты исследования, опубликованного на основе данных программы CEERS (Cosmic Evolution Early Release Science), бросают вызов прежним моделям эволюции галактик.

Средняя скорость звездообразования во Вселенной достигла пика около 10,4 миллиарда лет назад (красное смещение z = 2) после 3,3 миллиарда лет роста, а затем начала снижаться. Однако массивные галактики формировали звёзды интенсивнее и достигли максимума раньше, чем менее массивные. Эта зависимость легла в основу «звёздной главной последовательности» (SFMS) — корреляции между массой галактики и скоростью звёздообразования. Чем массивнее галактика, тем выше её активность, но сама SFMS эволюционирует со временем: для ранних эпох её значения смещены в сторону больших скоростей.

Источник: ESA / Hubble & NASA, O. Fox, L. Jenkins, S. Van Dyk, A. Filippenko, J. Lee and the PHANGS-HST Team, D. de Martin, M. Zamani

Учёные проанализировали 1 800 галактик с высоким красным смещением, используя два метода оценки звёздообразования. Линия Hα (альфа-линия водорода) в спектре, связанная с ионизированным газом вокруг массивных звёзд O-типа, отражает активность за последние 10 миллионов лет. Ультрафиолетовое излучение, зависящее от менее массивных и долгоживущих светил, показывает средние значения за 100 миллионов лет.

Сравнение этих показателей выявило ключевые закономерности: SFMS, построенная на основе Hα, демонстрирует больший разброс данных и более низкую нормировку, чем при использовании ультрафиолета. Это указывает на переменчивость процессов в короткие периоды и подтверждает гипотезу о всплесковом звездообразовании.

Данные JWST из программы CEERS, объединённые с архивными наблюдениями телескопа «Хаббл», позволили разделить галактики на пять групп по красному смещению. Во всех случаях разброс SFMS для Hα-данных оказался выше, а нормировка — ниже, что свидетельствует о чередовании активных фаз и «пауз» длительностью 100–250 миллионов лет. При этом разброс увеличивался с ростом красного смещения, подтверждая, что в ранней Вселенной звездообразование было более импульсивным. Однако интенсивность всплесков, судя по нормировке, не превосходила современные уровни.

Интересные различия выявились при сравнении галактик разной массы. У менее массивных объектов краткосрочная и долгосрочная скорости звёздообразования оказались ближе друг к другу, тогда как у массивных — разница значительнее: текущие показатели (Hα) ниже долгосрочных (ультрафиолет). Это означает, что массивные галактики переживали более короткие всплески — около 60 миллионов лет против 110 миллионов лет у лёгких. Авторы связывают это с тем, что крупные системы быстрее исчерпывают запасы газа или сталкиваются с обратной связью от сверхновых.

Полученные результаты не только меняют представление о ранних этапах эволюции галактик, но и ставят новые вопросы. Почему прерывистость звездообразования усиливалась в молодой Вселенной? Какую роль играли масса галактики и окружающая среда? Ответы на эти загадки помогут уточнить модели формирования структур в космосе. Астрономы продолжат изучать данные JWST, открывая всё более детальную картину первых миллиардов лет после Большого взрыва.

Подробнее на iXBT