Возраст звезд легко определить по их цвету. Более молодые, горячие и большие сияют синим. Более старые, умирающие становятся краснее. При активном звездообразовании, галактика, где это происходит, также озаряется ярким красным цветом.

К настоящему моменту астрономы обнаружили множество мертвых галактик, однако последние наблюдения за ZF-COSMOS-20115 показали, что эта галактика является не только самой старой из обнаруженных, но еще и идет вразрез с нашими моделями галактической эволюции. Ученые выяснили, что галактика неожиданно прекратила производство новых звезд, когда ей было всего 1,65 миллиарда лет. При таком возрасте галактики обычно «выплевывают» новые звезды практически со скоростью пулеметной ленты.

Еще одна странность, которая заинтересовала ученых, заключается в том, что галактика ZF имеет в три раза больше звезд, чем имеется у Млечного Пути. Загадка в том, что, согласно нашим моделям, галактики такого возраста не должны быть такими массивными. Пытаясь объяснить эту аномалию, ученые пришли к предположению, что ZF-COSMOS-20115 породила все свои звезды в буквальном смысле за один раз, всего за 100 миллионов лет.

Oбъeкты и фopмиpoвaния в кocмичecкoм пpocтpaнcтвe poждaютcя, paзвивaютcя и умиpaют. Звeзды нa финaльныx этaпax тpaнcфopмиpуютcя, плaнeты мoгут paзpушитьcя, a вoт гaлaктики умиpaют. K oднoму тaкoму мepтвeцу у иccлeдoвaтeлeй cлишкoм мнoгo вoпpocoв. Mepтвыми нaзывaют гaлaктики, кoтopыe ocтaнoвили пpoцecc фopмиpoвaния нoвыx звeзд. Taкиe гaлaктичecкиe фopмиpoвaния мoжнo вcтpeтить в coвpeмeннoй Bceлeннoй. Учeныe пoлaгaют, чтo caмыe дpeвниe мepтвыe гaлaктики пoлучитcя нaйти лишь cпуcтя З млpд. лeт пocлe Бoльшoгo Bзpывa. Oднaкo ZF-COSMOS-20115 никaк нe впиcывaeтcя в эти мoдeли.

ZF-COSMOS-20115 – гaлaктикa, пoявившaяcя cпуcтя 1,65 млpд. лeт пocлe вoзникнoвeния caмoй Bceлeннoй. Этo peдкoe фopмиpoвaниe, кoтopoe пoбилo peкopды, тaк кaк cчитaeтcя caмoй paннeй мaccивнoй кpacнoй мepтвoй гaлaктикoй. Boзмoжнo, oнa дaжe пoвлияeт нa пoнимaниe гaлaктичecкoй эвoлюции. Пpи изучeнии cтoль oтдaлeнныx гaлaктик, учeныe oжидaют, чтo oни будут нeбoльшими и c aктивным пpoцeccoм звeзднoгo фopмиpoвaния. Ho ZF-COSMOS-20115 oтличaeтcя мaccивнocтью и oтcутcтвиeм любoй aктивнocти. Пoлaгaют, чтo гaлaктикa кaким-тo oбpaзoм умудpилacь cфopмиpoвaть cвoи звeзды зa 100 млн. лeт, пocлe чeгo peзкo ocтaнoвилa этoт пpoцecc.

Пpичeм удивляeт eщe двa мoмeнтa. Bo-пepвыx, ee cкopocть звeзднoгo фopмиpoвaния ceйчac cocтaвляeт вceгo 1/5 coлнeчнoй мaccы в гoд, xoтя в paннeм вoзpacтe этa cкopocтнaя oтмeткa былa в 5000 paз бoльшe. Bo-втopыx, oнa выдeляeтcя нeвepoятнoй плoтнocтью, пoтoму чтo вмeщaeт oкoлo З00 млpд. звeзд (в Mлeчнoм Пути – 150-250 млpд. звeзд), xoтя пo paзмepу oxвaтывaeт гдe-тo 1З50 cвeтoвыx лeт.

Экcпepты вce eщe пытaютcя пoнять, пoчeму умиpaют гaлaктики. ZF-COSMOS-20115 paccмoтpeли c пoмoщью тeлecкoпoв из oбcepвaтopии Keкa, кoтopыe фикcиpуют cтapыe звeзды и oтмeчaют, ecть ли oчaги звeзднoгo poждeния. Oднaкo нeкoтopыe пoлaгaют, чтo мoщнocти нe xвaтaeт, пoэтoму иccлeдoвaтeли мoгли нe зaмeтить пpoцeccoв poждeния звeзд нa тaкиx диcтaнцияx.

Согласно стандартной космологической модели, первые галактики, еще очень небольшие, без выраженной структуры, образовались спустя 400 тысяч лет после Большого взрыва. После этого они постепенно накапливали массу, формировали спиральные рукава, сталкивались и в течение нескольких миллиардов лет продолжали производить звезды из холодного водорода, которого в таких галактиках содержится в избытке.

Обнаружение 10–15 лет назад с помощью глубоких обзоров неба в ИК-диапазоне «мертвых» галактик на красных смещениях до z ~ 3, когда Вселенной было чуть больше 3 миллиардов лет, было большим прорывом наблюдательной астрофизики. Потребовалась модификация моделей эволюции галактик, чтобы объяснить, как во Вселенной всего за три миллиарда лет образовались галактики, в которых новые звезды больше не появляются.

Еще более удивительными оказались опубликованные несколькими независимыми группами исследователей данные об обнаружении более далеких «мертвых» галактик, в которых нет звездообразования, хотя возраст Вселенной составлял всего 2 миллиарда лет. Определение красного смещения в этом случае, правда, основано на фотометрическом анализе (это изучение снимков галактик, полученных в разных фильтрах) и может содержать значительные ошибки, меняющие возраст галактик на несколько миллиардов лет.

Поэтому последние несколько лет астрофизики пытались найти как можно более далекую галактику без звездообразования, расстояние до которой можно было бы измерить с помощью спектрального анализа: в этом случае погрешность определения красного смещения составляет всего около полутора процентов (на таких больших красных смещениях это дает погрешность в определении расстояния до галактики всего порядка сотни миллионов световых лет).

И вот такая галактика была найдена. Международная группа астрофизиков под руководством Карла Глейзбрука из Технологического университета Суинбернав Австралии опубликовала в журнале Nature статью со спектроскопическим измерением красного смещения галактики ZF-COSMOS-20115.

Сама галактика была открыта несколькими годами ранее на 6,5-метровом Магеллановом телескопе в рамках обзора ZFOURGE. Этот обзор организован большой группой астрофизиков, куда входит и Глейзбрук, и нацелен на поиск и определение характеристик далеких галактик. Его проводят с помощью пяти узкополосных фильтров на длине волны от одного до двух микрон, что соответствует ближнему ИК-диапазону. Сочетание огромной собирающей площади зеркала и современных фильтров, работающих в ИК-диапазоне, позволило открыть 75 тысяч галактик, удаленных от нас более чем на 7 миллиардов световых лет.

Проводя анализ галактик из обзора ZFOURGE, Глейзбрук заметил, что среди всех обнаруженных галактик девятнадцать вели себя особым образом: были хорошо заметны в дальнем ИК-диапазоне, но абсолютно не видны на более коротких волнах. Подобное поведение объясняется «обрывом Бальмера» (Balmer jump), то есть поглощением УФ-фотонов невозбужденными атомами водорода. Благодаря эффекту Доплера излучение далеких галактик сдвигается в область больших длин волн. Поэтому если телескопы регистрируют этот обрыв не в ультрафиолете, а в ИК-диапазоне, то это явный признак того, что галактика от нас очень далека.

Дальнейшее исследование галактики надо было проводить на более мощном телескопе, поэтому группа подала заявку на наблюдение с помощью спектрометра MOSFIRE, который установлен на десятиметровом телескопе Кека на Гавайях. Это ровно то, что нужно для изучения такой удаленной галактики: MOSFIRE работает на одном из самых больших телескопов и при этом является самым чувствительным инфракрасным спектрометром в мире.

Заявка на наблюдение была одобрена и в январе 2016 года в течение 11 часов телескоп регистрировал фотоны, долетающие до нас из галактики ZF-COSMOS-20115. Измеренный спектр позволил точно определить красное смещение галактики: z = 3,717. То есть свет, дошедший до телескопа Кека, покинул ZF-COSMOS-20115, когда Вселенной было всего лишь 1,65 из нынешних 13,7 миллиардов лет.

Данные телескопа «Хаббл», космической ИК-обсерватории «Спитцер» и ряда наземных обсерваторий (всего 36 снимков в различных фильтрах), полученные с момента обнаружения галактики в ходе исследований другими научными группами, помогли дополнить картину и составить полноценный «паспорт» галактики ZF-COSMOS-20115.

Ее масса (точнее, масса только звезд, измеренная на основе сравнения излучения в оптических фильтрах) оказалась в три раза больше массы Млечного Пути. При этом галактика очень компактна (ее эффективный радиус всего лишь 500 парсек, то есть в 120 раз меньше Млечного Пути), и, что самое удивительное, ее спектр содержит ярко выраженные линии поглощения серии Бальмера.

Серия Бальмера (не путать с «обрывом Бальмера»!) – это набор длин волн, который характерен для электронов атомов водорода, испускающих фотоны при переходе с более высоких уровней на второй энергетических уровень. Наличие линий поглощения Бальмера в спектре галактики – это обязательное условие существования звезд класса А, то есть короткоживущих звезд чуть массивнее Солнца (см. Спектральные классы звезд).

Они живут всего 200–1000 миллионов лет, а значит, в своем недавнем прошлом галактика еще формировала новые звезды. Однако в ее спектре не было найдено никаких признаков наличия более массивных (и живущих еще меньше) звезд классов O и B, что говорит об отсутствии в этой галактике активного формирования новых звезд.

Ширина и глубина линий поглощения Бальмера в галактике ZF-COSMOS-20115 позволяет судить о текущей скорости звездообразования: у молодых ярких звезд есть сильные линии излучения, особенно Hβ, соответствующая переходу с четвертого на второй энергетический уровень. Если таких звезд много, то они должны «забивать» линию поглощения, найденную в этой галактике, делая ее менее глубокой и выраженной.

Таким образом, можно уверенно предположить, что там сейчас образуется не более четырех звезд в год. Это сравнимо с темпом звездообразования Млечного Пути, но крайне мало как для большинства галактик той эпохи, так и для самой ZF-COSMOS-20115 – ведь в недавнем прошлом она рождала по тысяче звезд в год.

Этот вывод может показаться неочевидным, однако логика тут проста: мы наблюдаем галактику в тот момент, когда Вселенной было всего 1,65 миллиарда лет, значит она не может быть старше 1,3 миллиарда лет, ведь современная космология достаточно подробно описывает состояние ранней Вселенной в первые несколько сотен миллионов лет, и это явно не самое подходящее время для образования галактик.

Моложе трехсот миллионов лет она тоже быть не может, поскольку физики накладывают ограничения на максимальный темп звездообразования в галактике, связанный с условиями охлаждения облаков водорода: только холодное облако может эффективно сжиматься и превратиться в звезду. Если использовать максимально возможный темп звездообразования (2–3 тысячи солнечных масс в год) и не забыть про то, что галактика не формирует новые звезды уже как минимум сто миллионов лет, то мы и получим триста миллионов лет – самый короткий возможный период, чтобы набрать массу около 140 миллиардов масс Солнца.

Прогнав с помощью статистического метода Монте-Карло теоретически просчитанные модели эволюции галактик, астрофизики пришли к выводу, что ее наиболее вероятный возраст составляет 700 миллионов лет. А в последние 400 тысяч лет активного звездообразования в ней не было – это опять же определяется по отсутствию линий излучения в ее спектре. И вот эти выводы наталкиваются на противоречия, которые трудно объяснить в контексте нынешних моделей эволюции галактик.

Во-первых, не до конца ясен механизм такого взрывного звездообразования. Что заставило весь газ так эффективно сжиматься, что процессы, идущие при обычных условиях миллиарды лет, завершились в такие незначительные по космическим меркам сроки?

Возможным объяснением (для которого, впрочем, еще не найдено подтверждений) может быть слияние двух галактик схожих размеров. В этом случае гравитационное возмущение могло перемешать газ настолько удачно, что он начал очень быстро остывать и сжиматься, формируя сотни миллионов протозвезд. Сейчас трудно сказать, правильное ли это объяснение: компьютерные симуляции пока не могут воспроизвести этот сценарий, да и других примеров подобных галактик пока не найдено.

Во-вторых, само существование таких галактик оказалось сюрпризом. Согласно всем космологическим моделям, на красном смещении z ~ 3,7 могут присутствовать только молодые галактики, которые активно рождают новые звезды. А за 700 миллионов лет до этого не должно быть никаких галактик с подобной или близкой массой – они просто не успевали бы формироваться. Более того, если эти галактики всё же образуются, то первые несколько сотен миллионов лет они должны работать как массовые конвейеры по производству звезд – по 2–3 в день. Мощность современных телескопов вполне достаточна, чтобы обнаружить подобные галактики даже на таких гигантских расстояниях. Однако мы их не видим!

Возможно, что дело тут в пыли. Недавно обнаруженный класс галактик, Dust-obscured star-forming galaxies (звездообразующие галактики, скрытые в пыли), может поддерживать требуемый высокий темп звездообразования (они способны увеличить свою звездную массу в 5 раз всего за 50 миллионов лет!) за счет огромных запасов холодного водорода, который окружает области появления новых звезд и не пропускает наружу оптическое излучение.

Такие галактики могут изучаться только с помощью космических ИК- или наземных радио- или субмиллиметровых телескопов, характеристики которых пока не дотягивают до лучших оптических телескопов. Поэтому мы можем только приближенно оценивать их параметры. Эти галактики находят на красных смещениях до z = 6, и они, по оценкам астрофизиков, могут быть «прародителями» галактик с такими свойствами, как у ZF-COSMOS-20115.

Но это еще не всё. Теория эволюции галактик не висит в воздухе, она должна хорошо вписываться в общую космологическую картину. И тут появляется новое противоречие: современные модели накладывают жесткие ограничения на скорость формирования гало темной материи и на соотношение темной и барионной (то есть привычной нам) материй в галактиках. Массу темной материи можно получить численно, зная возраст галактики и возраст Вселенной на момент ее формирования. Если соотношение темной и барионной материи выполняется (а противоречий этому мы пока не видим), то легко рассчитать полную барионную массу галактики.

И вот тут ученые обнаружили удивительную картину: более трети всех протонов и нейтронов галактики ZF-COSMOS-20115 находятся в звездах. Это небывалая величина: во всех современных самых массивных галактиках доля барионов в звездах не превышает 5–10%, а остальная часть находится в галактиках в виде пыли и газа. То есть для того, чтобы снова стать «нормальной» (с нужным процентом звездной массы), ZF-COSMOS-20115 в какой-то момент времени просто прекратила формировать новые звезды, но при этом в нее продолжился приток новых барионов в виде водорода.

По какой причине этот газ не стал источником новых волн звездообразования – мы не знаем. Но мы точно знаем, что этого не случилось, потому что в противном случае масса галактики продолжала бы расти и сейчас ZF-COSMOS-20115 была бы самой массивной галактикой из известных нам. Мы хорошо представляем себе характеристики миллионов галактик в локальной Вселенной и таких галактик не видим, следовательно что-то в далеком прошлом остановило формирование новых звезд.

Несколько подкорректировать выводы ученых (и, соответственно, частично спасти текущую модель эволюции галактик) может обнаружение так называемого скрытого звездообразования – явления, при котором молодые звезды укрыты от телескопов таким толстым слоем пыли, что оптическое излучение просто не доходит до нас. Обнаружить это скрытое звездообразование в галактике, удаленной от нас на 12 миллиардов световых лет, можно в субмиллиметровом или радиодиапазоне.

В июле 2017 года вышла статья международной группы астрофизиков, представляющих 23 университета, которые использовали данные комплекса радиотелескопов ALMA в Чили и субмиллиметрового детектора SCUBA-2, установленного на телескопе Максвеллана Гавайях. Ученые утверждают, что не только обнаружили это скрытое звездообразование в галактике ZF-COSMOS-20115, но и что оно находится на расстоянии 3 килопарсек от координат ее центра, то есть вдалеке от места основного скопления звезд. Это может указывать на сложную морфологию галактики, в которой внутри протяженного гало темной материи присутствует массивное и «мертвое» ядро, а также существует область активного звездообразования, в которой может формироваться до 100 новых светил в год.

Ясно, что одна галактика, какой бы уникальной она ни была, не может полностью поменять наше представление об эволюции Вселенной. Однако она может задать направление для новых поисков.

Примерно через один миллиард лет с момента появления бытия во Вселенной практически из ничего появилась галактика, по размерам в несколько раз превосходящая нашу собственную. Однако спустя еще полмиллиарда лет – то есть даже быстрее, чем потребовалось жизни на нашей планете для того, чтобы доэволюционировать в человека – эта галактика стала полностью мертвым диском, в котором больше не появляются новые звезды. Звучит очень интересно, не находите?