Спиральные рукава присутствуют у большинства современных галактик. Наиболее интенсивное звездообразование происходит именно в них, поэтому для астрономов критически важно установить, когда во Вселенной возникли такие сложные структуры. Недавнее исследование выявило, что значительная часть галактик уже обладала спиральной структурой примерно через два миллиарда лет после Большого взрыва.
Анализ данных, полученных с космического телескопа «Хаббл», показал, что галактики с красным смещением, приблизительно равным единице (в эпоху, когда возраст Вселенной составлял 5,9 миллиарда лет), имеют структуру, аналогичную современной. Однако при дальнейшем увеличении красного смещения наблюдается изменение картины: галактики становятся всё более неровными и «комковатыми.
В исследовании, опубликованном в Місячні повідомлення Королівського астрономічного товариства в 2022 году, астрономы по снимкам «Хаббла» вычислили, согласно исследованиям, лишь около одной десятой галактик имели спиральную форму на ранних этапах развития Вселенной, примерно два миллиарда лет назад (при красном смещении три). При этом специалисты признавали, что телескопу «Хаббл» не хватало необходимой чувствительности для выявления всех структурных деталей таких удалённых объектов.
Авторы новой работы, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal Letters, для проведения исследования ученые использовали данные, полученные с космического телескопа «Джеймс Уэбб». Благодаря этим данным стало возможным изучить галактики с красным смещением до четырех, что соответствует периоду в два миллиарда лет после Большого взрыва. В ходе наблюдений исследователи выявили большое количество спиральных структур среди этих галактик.
Для анализа было отобрано 873 галактики, масса которых превышает 10 миллиардов солнечных масс. Все шесть соавторов провели визуальный осмотр снимков, чтобы выявить спиральную структуру. Галактика классифицировалась как спиральная, если ее спиральность была отмечена более чем половиной исследователей. В итоге спиральными признаны 216 галактик, причем все участники группы согласились с этим статусом для 108 объектов.
После анализа полученных данных авторы пришли к выводу, что доля спиральных галактик сокращается по мере «омоложения» Вселенной. В древних галактиках визуально спиральные рукава практически незаметны. Однако, принимая во внимание этот фактор, выяснилось, что их процент уменьшается не столь стремительно, чем демонстрировал «Хаббл».
В ходе исследования авторы определили минимально возможную долю спиральных галактик на разных этапах эволюции Вселенной. Согласно их расчетам, когда возраст Вселенной составлял 3,7 миллиарда лет, спиральную структуру имели около трети (33%) всех галактик. В период от 2,4 до 2,9 миллиарда лет этот показатель снижался примерно до четверти. На момент 1,985 миллиарда лет спиральные галактики составляли более 20 процентов, что соответствует как минимум каждой пятой галактике.
«Ранее предполагалось, что спиральные галактики начали формироваться через шесть или семь миллиардов лет после возникновения Вселенной. Однако, согласно нашему исследованию, уже через два миллиарда лет существовало достаточное количество спиральных галактик. Это свидетельствует о том, что процесс формирования галактик протекал значительно быстрее, чем считалось ранее», — объяснил Ичэн Го (Yicheng Guo), соавтор работы.
Формирование этих галактик началось, когда Вселенной было около миллиарда лет, а к двум миллиардам лет они приобрели дискообразную структуру. Исследователи также подчеркнули, что до четырех миллиардов лет после Большого взрыва в спиральных галактиках сохранялись неоднородности и «скопления», даже несмотря на наличие спиральных рукавов.
«Существует множество гипотез, объясняющих формирование спиральных рукавов галактик, и для разных типов спиральных галактик могут действовать различные механизмы их возникновения. Полученные данные помогут нам точнее соотнести физические характеристики галактик с существующими теориями — и разработать более детализированную космическую хронологию», — объяснила Вики Кун, сотрудник Департамента физики и астрономии Миссурийского университета в США, возглавила исследование и является одним из основных авторов новой статьи.