Новая сущность. Часть 6. Загадка древнейшей спиральной галактики

Часть 5. http://artefact-2007.blogspot.ru/2012/11/5.html

    «Галактика Q2343-BX442, находящаяся от нас на удалении в 10,7 млрд световых лет, оказалась спиральной в эпоху, когда спиральных галактик не должно было быть. Что послужило тому причиной? Сверхмассивная чёрная дыра в центре? Карликовая галактика-компаньон? Наука пока не знает.

    Скорее всего, основным фактором является влияние карликовой галактики-спутника, которое, однако, вскоре может исчезнуть. Наверняка же можно сказать одно: астрономы в очередной раз недооценили скорость эволюции Вселенной после Большого взрыва.

Галактика Q2343-BX442 (красное смещение z = 2,18) оказалась древнейшей изо всех известных спиралевидных. Но, если верить астрономам, такой она будет недолго. (Иллюстрация Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics, Joe Bergeron. Artist's rendering of galaxy BX442 and companion). 

    Спиральные галактики серьёзно отличаются от всех остальных типов, включая первичный для Вселенной тип протогалактик. В большинстве нормальных галактик звёзды движутся в разных направлениях, с разными скоростями, и галактический диск в целом не вращается. В спиральных всё не так: периферийные звезды движутся вокруг центра, причём со значительной скоростью и в одном направлении.

    Вопрос, почему некоторые галактики - спиральные, а другие - нет, чрезвычайно труден. Первые попытки моделирования таких галактик показывали, что спиральные рукава должны быстро потерять скорость вращения и галактика просто обязана перестать быть спиральной. Механизмы, из-за которых этого не происходит, всё ещё не до конца ясны. Есть ряд теорий, из которых наиболее популярна - теория волн плотности, когда бегущая волна плотности (состояние уплотнения материи, распространяющееся по диску спиральной галактики так же, как звуковая волна бежит в газообразной среде) создаёт скачки уплотнения, не увлекая за собой частицы среды (собственно звёзды). То же самое можно видеть в стакане чая, если размешивать сахар ложкой. По этой теории, спиральные рукава - волны плотности, являющиеся устойчивыми образованиями. Но почему? Ведь если перестать помешивать ложкой в стакане, то спиралевидные волны в нём со временем исчезнут.

    Иными словами, вопрос о механизме возбуждения волн плотности остаётся чрезвычайно важным, так как либо незатухающая волна плотности должна быть стоячей, с нерассеивающейся энергией, либо существует механизм, «подкачивающий» энергию в волну ИЗВНЕ. Однако «незатухающей» волна плотности, скорее всего, не является: слишком много галактик далеки от спиральности - а значит, со временем волна может затухнуть. Да и настоящая стоячая волна может долго существовать лишь при отсутствии замедляющего воздействия, в то время как на практике такое воздействие явно есть. То есть кто-то (или что-то?) всё-таки «помешивает ложкой».

    Наконец, встаёт вопрос: почему в самых древних наблюдаемых галактиках ложкой никто не мешает?

Стандартная спиралевидная галактика типа М81 должна, в отличие от Q2343-BX442, сохранять спиральную форму без влияния карликовых компаньонов. (Иллюстрация NASA, ESA, A. Zezas). http://www.jpl.nasa.gov/spaceimages/images/wallpaper/PIA09579-1280x1024.jpg

    Теперь последний вопрос может быть снят. Группа астрономов из Торонтского университета (Канада) и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (США) обнаружила, что, согласно компьютерному моделированию, галактика Q2343-BX442 на момент наблюдения имеет возраст не менее 100 млн лет, то есть образовалась как минимум 10,8 млрд лет назад — менее чем через три миллиарда лет после Большого взрыва, в тот момент, когда все остальные наблюдаемые галактики имели странную, неправильную форму. Собственно говоря, наиболее древняя из известных до этого спиральных галактик моложе 9 млрд лет, да и наша спиральная Галактика на много миллиардов лет моложе.

    Почему же всего одна из наблюдавшихся в ходе исследования 306 галактик имела столь странную форму? По мнению астрономов, дело в гравитационном влиянии близкой к ней карликовой галактики. И это значит, что дни Q2343-BX442 как спиральной структуры сочтены. По расчётам, через 100 млн лет она должна потерять свою спиральную форму, поэтому астрономы полагают, что если бы мы увидели её такой, какой она действительно является сейчас, то не заметили бы и следов некогда спиральной структуры.

    Дело в том, что нынешняя теория волн плотности при объяснении спиралевидности не нуждается, как принято считать, во внешнем влиянии на галактику, ведь спиралевидность должна быть свойственна и изолированному галактическому диску. Если же она образовалась только как следствие влияния карликовой галактики-спутника, то после завершения неизбежного столкновения с последней Q2343-BX442 прекратит быть спиральной». (Отчёт об исследовании опубликован в журнале «Nature». Подготовлено по материалам Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. 19 июля 2012 года, 15:33 | Текст: Александр Березин). http://science.compulenta.ru/695099/

    Astronomers using the Hubble Space Telescope report the earliest spiral galaxy ever seen

    «Astronomers have witnessed for the first time a spiral galaxy in the early universe, billions of years before many other spiral galaxies formed. In findings reported July 19 in the journal Nature, the astronomers said they discovered it while using the Hubble Space Telescope to take pictures of about 300 very distant galaxies in the early universe and to study their properties. This distant spiral galaxy is being observed as it existed roughly three billion years after the Big Bang, and light from this part of the universe has been traveling to Earth for about 10.7 billion years. 

HST/Keck false colour composite image of galaxy BX442

    "As you go back in time to the early universe, galaxies look really strange, clumpy and irregular, not symmetric," said Alice Shapley, a UCLA associate professor of physics and astronomy, and co-author of the study. "The vast majority of old galaxies look like train wrecks. Our first thought was, why is this one so different, and so beautiful?" 

    Galaxies in today’s universe divide into various types, including spiral galaxies like our own Milky Way, which are rotating disks of stars and gas in which new stars form, and elliptical galaxies, which include older, redder stars moving in random directions. The mix of galaxy structures in the early universe is quite different, with a much greater diversity and larger fraction of irregular galaxies, Shapley said. 

    "The fact that this galaxy exists is astounding," said David Law, lead author of the study and Dunlap Institute postdoctoral fellow at the University of Toronto’s Dunlap Institute for Astronomy & Astrophysics. "Current wisdom holds that such ‘grand-design’ spiral galaxies simply didn’t exist at such an early time in the history of the universe." A ‘grand design’ galaxy has prominent, well-formed spiral arms. 

    The galaxy, which goes by the not very glamorous name of BX442, is quite large compared with other galaxies from this early time in the universe; only about 30 of the galaxies that Law and Shapley analyzed are as massive as this galaxy. 

    To gain deeper insight into their unique image of BX442, Law and Shapley went to the W.M. Keck Observatory atop Hawaii’s dormant Mauna Kea volcano and used a unique state-of-the-science instrument called the OSIRIS spectrograph, which was built by James Larkin, a UCLA professor of physics and astronomy. They studied spectra from some 3,600 locations in and around BX442, which provided valuable information that enabled them to determine that it actually is a rotating spiral galaxy — and not, for example, two galaxies that happened to line up in the image. 

    "We first thought this could just be an illusion, and that perhaps we were being led astray by the picture," Shapley said. "What we found when we took the spectral image of this galaxy is that the spiral arms do belong to this galaxy. It wasn’t an illusion. We were blown away." Law and Shapley also see some evidence of an enormous black hole at the center of the galaxy, which may play a role in the evolution of BX442. 

    Why does BX442 look like galaxies that are so common today but were so rare back then? 

    Law and Shapley think the answer may have to do with a companion dwarf galaxy, which the OSIRIS spectrograph reveals as a blob in the upper left portion of the image, and the gravitational interaction between them. Support for this idea is provided by a numerical simulation conducted by Charlotte Christensen, a postdoctoral scholar at the University of Arizona and a co-author of the research in Nature. Eventually the small galaxy is likely to merge into BX442, Shapley said. 

    "BX442 looks like a nearby galaxy, but in the early universe, galaxies were colliding together much more frequently," she said. "Gas was raining in from the intergalactic medium and feeding stars that were being formed at a much more rapid rate than they are today; black holes grew at a much more rapid rate as well. The universe today is boring compared to this early time." 

    Law, a former Hubble postdoctoral fellow at UCLA, and Shapley will continue to study BX442. 

    "We want to take pictures of this galaxy at other wavelengths," Shapley said. "That will tell us what type of stars are in every location in the galaxy. We want to map the mixture of stars and gas in BX442." 

    Shapley said that BX442 represents a link between early galaxies that are much more turbulent and the rotating spiral galaxies that we see around us. "Indeed, this galaxy may highlight the importance of merger interactions at any cosmic epoch in creating grand design spiral structure," she said. 

    Studying BX442 is likely to help astronomers understand how spiral galaxies like the Milky Way form, Shapley said. 

    Co-authors are Charles Steidel, the Lee A. DuBridge Professor of Astronomy at the California Institute of Technology; Naveen Reddy, assistant professor of physics and astronomy at UC Riverside; and Dawn Erb, assistant professor of physics at the University of Wisconsin, Milwaukee. 

    Shapley’s research is funded by the David and Lucile Packard Foundation. 

    UCLA is California’s largest university, with an enrollment of nearly 38,000 undergraduate and graduate students. The UCLA College of Letters and Science and the university’s 11 professional schools feature renowned faculty and offer 337 degree programs and majors. UCLA is a national and international leader in the breadth and quality of its academic, research, health care, cultural, continuing education and athletic programs. Six alumni and five faculty have been awarded the Nobel Prize». (By Stuart Wolpert, July 18, 2012). http://newsroom.ucla.edu/portal/ucla/astronomers-report-the-earliest-236446.aspx

«a, b, HST/WFC3 F160W broadband morphology. In b, red lines show the locations of the northern (N), western (W) and eastern (E) spiral arms, core, and nearby satellite companion; green lines indicate the orientation of the best-fit inclined d…»

Kinematic velocity and velocity dispersion maps of BX442. «a, d, Observed relative velocity (a) and velocity dispersion (d) (uncorrected for instrumental resolution), recovered from fitting Gaussian emission-line profiles...  http://www.nature.com/nature/journal/v487/n7407/full/nature11256.html

    «Новая сущность». Часть 7. «Структура спиральных галактик». http://artefact-2007.blogspot.ru/2012/11/7.html