JWST змінив уявлення про те, якими були галактики у перші сотні мільйонів років після Великого вибуху. Серед них знайшлися дві крайності. Одні галактики на червоних зсувах понад z=10 виявилися надзвичайно синіми — з нахилом ультрафіолетового спектра β_UV близько -2.4 і нижче, що вказує на майже повну відсутність пилу. Інші, на тих самих відстанях, — навпаки, червоні й масивні, багаті на пил, з β_UV від -1 і вище.

Нова теоретична робота пропонує пояснити обидва типи як різні результати одного й того самого процесу: того, скільки пилу від наднових галактика здатна утримати.

Що означають «сині» і «червоні монстри»

Колір галактики в ультрафіолеті описують числом β_UV — нахилом континууму спектра. Чим воно від’ємніше, тим галактика синіша і тим менше в ній пилу, який поглинає короткохвильове випромінювання.

«Сині монстри» — це яскраві в ультрафіолеті, але бідні на пил галактики з β_UV близько -2.4 і нижче. «Червоні монстри» — масивні пилові системи, у яких β_UV сягає -1 і вище, а в окремих випадках доходить до -0.5.

Досі ці дві популяції виглядали як окремі загадки: чому в одну епоху існують галактики з майже нульовим вмістом пилу поряд із дуже запиленими.

Як пил залишає галактику

Автори моделюють поведінку пилу, що народжується у спалахах наднових усередині щільних скупчень зореутворення. Ключове питання — чи залишиться цей пил у галактиці, чи буде викинутий назовні.

Механізм працює у два кроки. Спершу ударні хвилі від скупчень наднових пробивають материнську молекулярну хмару, у якій народилися зорі. Потім, якщо енергії досить, викид проривається крізь газовий диск галактики. Автори використали непрозорість пилу, отриману з тривимірних гідродинамічних симуляцій скупчень наднових у пористих молекулярних хмарах, і перевели утриману масу пилу в нахил спектра β_UV.

У компактних галактиках, багатих на газ, обидва бар’єри долаються ефективно. Пилу лишається мало, тому такі системи виглядають синіми — на рівні «синіх монстрів».

У масивніших галактиках більша маса зір означає щільніший стовп газу і пилу. Викид наднових не завжди проходить крізь газовий шар, тож пил лишається. Такі системи червоніють. Коли ж великомасштабне «продування» слабшає через втрати енергії на випромінювання, β_UV може дійти до -0.5.

Один процес замість двох загадок

Головна ідея роботи — поділ на сині й червоні галактики визначається однією умовою: чи вистачить викиду скупчень наднових, щоб пройти крізь обидва бар’єри — материнську хмару і газовий шар галактики.

Якщо вистачає — пил вивітрюється, галактика синя. Якщо ні — пил лишається, галактика червона.

За словами авторів, поєднання чотирьох процесів — виробництва пилу надновими, його обробки ударними хвилями, втрат енергії на випромінювання та механічного викиду — здатне спільно пояснити і яскраві бідні на пил галактики, і червоні пилові масивні системи на всьому діапазоні від z≈6 до z≈14.

Модель також пов’язує ранні сині галактики з пиловими масивними системами на пізніших z≈6-7. Якщо спостереження JWST і ALMA підтвердять ці передбачення, то дві крайні популяції раннього Всесвіту виявляться не окремими явищами, а двома боками одного механізму збереження й викиду пилу.