Коли Всесвіту було менше мільярда років, галактики вже вміли народжувати зорі з дивовижною швидкістю. Команда астрофізиків побудувала детальну реконструкцію того, як зореутворення змінювалося від космічного світанку до кінця епохи реіонізації, і отримала цифри, які пояснюють, чому знімки James Webb Space Telescope показують такі яскраві та масивні на вигляд галактики в надранньому Всесвіті.
Дослідження спирається не на прямі спостереження окремих зір — це неможливо на таких відстанях, — а на комбінацію двох обчислювальних інструментів. Перший відстежує еволюцію гало темної матерії, другий моделює, як усередині цих гало формуються галактики та зорі. Разом вони дозволяють простежити долю тисяч модельних галактик протягом мільярда років космічної історії.
Як побудована модель зореутворення
В основі роботи лежать симуляції GUREFT — набір космологічних розрахунків, які відтворюють лише розподіл темної матерії у Всесвіті. Темна матерія не взаємодіє зі світлом, але саме її гравітація формує "каркас", у якому пізніше збирається звичайна речовина. Симуляції показують, як маленькі згустки темної матерії зливаються один з одним, поступово вирощуючи дедалі більші гало.
На ці гало дослідники наклали напіваналітичну модель Santa Cruz. Це не повноцінна гідродинамічна симуляція газу, а набір спрощених фізичних рецептів, які описують, як газ охолоджується, падає в гало та перетворюється на зорі. Такий підхід дешевший обчислювально, тому дозволяє прогнати тисячі варіантів історії окремих галактик і подивитися на статистику, а не лише на кілька яскравих прикладів.
Комбінація двох інструментів дала змогу простежити галактики від зсуву червоного z близько 14 (це приблизно перші 300 мільйонів років після Великого вибуху) до z близько 6, коли епоха реіонізації добігала кінця.
Спалахи, паузи і швидке зростання
У середньому темп зореутворення зростав плавно і швидко для галактик усіх мас протягом усього досліджуваного періоду. Це відповідає загальній картині: молодий Всесвіт мав багато холодного газу, і галактики нарощували зоряну масу дедалі активніше.
Але це середнє приховує велику різноманітність індивідуальних історій. Окремі галактики в моделі демонстрували спалахи бурхливого зореутворення, за якими йшли короткі паузи — так зване міні-згасання (mini-quenching). Причому це стосувалося галактик з однаковою фінальною масою і на однаковому зсуві червоного: доля кожної окремої галактики виявилася непередбачуваною навіть при схожих стартових умовах.
Дослідники підкреслюють, що така строкатість збігається з тим, що вже бачать спостереження реальних галактик раннього Всесвіту — спалахи й затишшя, а не рівномірне нарощування зоряної маси.
Тридцять мільйонів років на половину зоряного населення
Ключовий результат стосується часових масштабів формування зір. Дослідники обчислили, скільки часу знадобилося галактикам, щоб сформувати половину (t_50) і 90% (t_90) свого зоряного населення.
Для галактик на z понад 12 — тобто у перші приблизно 400 мільйонів років космічної історії — типове значення t_50 становило менш ніж 30 мільйонів років, а t_90 — менш ніж 70 мільйонів років. Для порівняння: вік Сонячної системи — понад 4,5 мільярда років, тож ці цифри — миттєвість за космічними мірками.
Що важливо, ці часові масштаби залежать переважно від зсуву червоного спостереження і значно слабше — від маси самої галактики. Порівняно з подібними галактиками наприкінці епохи реіонізації, на z близько 6, надраннім галактикам знадобилося у 3–4 рази менше часу, щоб зібрати ту саму частку своїх зір.
Наслідки для тлумачення знімків Джеймса Вебба
Швидке формування зір означає, що зоряне населення галактик з дуже високим зсувом червоного складається переважно з молодих зір. Це не другорядна деталь: молоді й старі зорі по-різному випромінюють світло, а отже, по-різному впливають на те, що бачить телескоп.
Автори роботи наголошують, що для отримання точної синтетичної фотометрії — тобто розрахованих спектрів, які потім порівнюють зі спостереженнями James Webb — необхідне ретельне моделювання саме молодих зоряних популяцій. Якщо цим знехтувати, оцінки маси й віку далеких галактик, отримані зі спостережень, можуть виявитися хибними.
Це має практичне значення для десятків досліджень, які вже спираються на дані James Webb Space Telescope, аналізуючи наймолодші відомі галактики Всесвіту. Результати також дають astronomам орієнтир, як інтерпретувати індикатори темпу зореутворення й часових масштабів, отримані зі спостережень.
