Загадка космического полдня: что разгоняло центры первых галактик

В далёкой Вселенной астрономы нашли галактики, которые ведут себя неожиданно. Их центры вращаются так быстро, будто там скрыта дополнительная масса, но наблюдения показывают обратное. Учёные впервые смогли "взвесить" такие системы в эпоху космического полдня, объединив данные двух крупнейших обсерваторий. Это открытие ставит под вопрос привычные модели распределения вещества в молодых галактиках. Об этом сообщает международная группа исследователей, использовавшая телескопы JWST и ALMA.

Космический полдень и загадка галактических центров

Исследование посвящено периоду около 10 миллиардов лет назад, когда звездообразование во Вселенной достигло максимума. Этот этап называют космическим полднем, и именно тогда формировались структуры, которые позже превратились в галактики вроде Млечного Пути.

Чтобы понять эволюцию таких систем, важно знать, как распределялась их масса — в звёздах, газе и тёмной материи. Но на столь больших расстояниях это чрезвычайно сложно: даже самые мощные телескопы долгое время не давали достаточно точных данных о внутренних областях галактик.

Как учёные "взвешивали" далёкие галактики

Астрономы используют проверенный метод: измеряют скорость вращения звёзд и газа. Чем быстрее движется вещество, тем сильнее гравитация, а значит, тем больше масса сосредоточена в этой области.

Ранее исследования сталкивались с двумя проблемами. Во-первых, не хватало изображений, позволяющих увидеть старые звёзды, которые составляют основную часть звёздной массы. Во-вторых, было трудно отследить вращение холодного газа, который движется наиболее упорядоченно и лучше всего отражает гравитационное поле.

Новый прорыв стал возможен благодаря сочетанию инфракрасных наблюдений телескопа Джеймса Уэбба и данных ALMA, фиксирующей холодный газ по линиям углерода — так же, как современные наблюдения помогают понять, почему сверхновые играют центральную роль в формировании новых звёзд.

Три галактики и неожиданное расхождение моделей

Команда выбрала три галактики из проекта ALPAKA — ID1, ID3 и ID13. Все они представляют собой дисковые системы со спиральной структурой и упорядоченным вращением.

Исследователи смоделировали распределение звёзд, разделив их на диск и центральный балдж, а также учли газ и вклад тёмной материи. Во внешних областях расчёты хорошо совпали с наблюдениями.

Но в центрах возникла загадка: скорости вращения оказались выше, чем предсказывали модели. Это выглядело так, будто в ядре скрыта дополнительная масса, которую невозможно напрямую увидеть.

Возможные объяснения: звёзды, пыль и чёрные дыры

Учёные рассмотрели несколько сценариев. Один из них — что балдж состоит из более древних звёзд, которые при одинаковой светимости могут быть массивнее.

Другой вариант связан с пылью: если центральные области сильнее заслонены, то их свет ослабляется, и масса кажется меньше, чем есть на самом деле.

Также обсуждалась возможность наличия чрезвычайно массивных чёрных дыр. Обычные пропорции не объясняют эффект, но если чёрные дыры в молодых галактиках действительно крупнее ожидаемого, они могли бы ускорять вращение в центре — особенно если учитывать процессы, которые происходят, когда галактика полностью лишится газа за сравнительно короткое время.

Роль тёмной материи и новые вопросы

Тёмная материя обычно описывается стандартным профилем NFW. Однако в молодых галактиках она может быть распределена иначе — например, более концентрирована к центру.

Авторы подчёркивают, что даже с лучшими современными данными трудно надёжно отделить вклад тёмной материи от неопределённостей в звёздах и газе. Они показывают, что стандартные гало NFW способны объяснить наблюдения без введения "пустых ядер", если центральные звёздные компоненты достаточно массивны.

Шаг к будущим исследованиям

Эта работа стала методологическим прорывом: впервые возможности JWST и ALMA были объединены для анализа массы галактик в эпоху космического полдня. Загадка "недостающей" центральной массы не воспринимается как ошибка — скорее как сигнал о сложных процессах формирования галактик.

Учёные считают, что ответ может лежать в сочетании факторов: старых звёздных балджей, пыли и, возможно, необычно массивных чёрных дыр. Следующий шаг — более детальные наблюдения и расширение выборки, чему помогут будущие проекты вроде CONDOR.