Алакнанда (галактика)

Галактика обнаружена индийскими астрономами Раши Джейн (англ. Rashi Jain) и Йогешем Вададекаром (англ. Yogesh Wadadekar) из Национального центра радиоастрономии (NCRA) Института фундаментальных исследований Тата при анализе общедоступных снимков космоса, сделанных космическими телескопами «Хаббл» и «Джеймс Уэбб» в 21 фотометрической полосе. В частности, снимки «Джеймса Уэбба» были получены с помощью установленной на нём камеры ближнего инфракрасного диапазона NIRCam в ходе глубоких обзоров неба UNCOVER и MegaScience^[1].

Открытый объект оказался очень похожим на нашу Галактику — Млечный Путь. В некоторых языках индоарийской группы Млечный Путь называется «Мандакини». Точно так же называется одна из гималайских рек, которая впадает в более крупную реку — Алакнанду. Поэтому авторы открытия назвали обнаруженную ими галактику Алакнандой — в честь этой реки^[2][4][5][6]. Ниже по течению река Алакнанда сливается с рекой Бхагиратхи и они дают начало Гангу. Млечный Путь в хинди также называют «Акаш Ганга», что означает «Небесный Ганг»^[7].

Обнаружить столь далёкую структуру удалось благодаря эффекту гравитационного линзирования. Между Землёй и Алакнандой располагается массивное скопление галактик Abell 2744, также известное как скопление Пандоры. Его колоссальное гравитационное поле сработало как естественная линза, изогнув световые лучи и сделав изображение Алакнанды вдвое ярче, что позволило «Джеймсу Уэббу» запечатлеть её спиральную структуру с высокой детализацией^{[2][8][6][5][9]}.

Фотометрическое красное смещение Алакнанды составляет z_фот ≈ 4,05^[1]. Это значит, что наблюдаемый свет галактики был испущен ею всего через 1,5 млрд лет после Большого взрыва и шёл до Земли 12,3 млрд лет^{[2][8][6][4][3]}. В тот момент возраст Вселенной составлял примерно десятую часть от нынешнего значения^[10]. Таким образом, Алакнанда относится к числу наиболее удалённых спиральных галактик, известных астрономам, хотя для окончательного закрепления этого статуса требуются дополнительные спектроскопические измерения^[3].

Алакнанда является спиральной галактикой с упорядоченной структурой и по своей форме похожа на Млечный Путь^[2]. Она обладает хорошо сформированным диском диаметром около 10 кпк, или чуть более 30 000 световых лет (что примерно в 3 раза меньше диаметра диска нашей Галактики), а также выраженным ярким центральным балджем^[1][2] диаметром чуть более 7000 световых лет^[3]. В диске наблюдаются два чётко выраженных симметричных, плавно закрученных спиральных рукава. Наличие крупной перемычки (бара) размером более 2 кпк исключено. Суммарная масса всех звёзд галактики оценивается в 16 млрд масс Солнца (около 10^10,2 M_⊙ ≈ 1,6 ⋅ 10¹⁰ M_⊙)^[1][6].

Алакнанда характеризуется крайне активным звездообразованием. Ежегодно в ней формируются звёзды общей массой около 63 M_⊙. Это примерно в 20—30 раз превышает аналогичный показатель современного Млечного Пути. В ультрафиолетовом диапазоне спектра в обоих спиральных рукавах наблюдаются цепочки из идущих друг за другом областей звездообразования, напоминающие «нити с бусинами»^[1][2][8].

Согласно результатам компьютерного моделирования, средневзвешенный возраст звёздного населения галактики на момент испускания света (z ≈ 4,05) составлял около 200 млн лет. Это означает, что около половины всей звёздной массы Алакнанды сформировалось в течение очень узкого по космологическим меркам временно́го окна, шириной всего в течение 200 млн лет, в период между z ≈ 4,6 и z ≈ 4,05^[1][11].

До начала работы космического телескопа «Джеймс Уэбб» считалось, что галактики в ранней Вселенной (первые 1,5—2 млрд лет) были исключительно хаотичными, турбулентными, горячими и бесформенными сгустками вещества. Теория указывала, что для охлаждения газового диска и формирования устойчивого вращения, способного поддерживать существование спиральных рукавов (представляющих собой волны плотности в диске), требуются многие миллиарды лет эволюции. В течение этого времени газ должен был аккрецировать на формирующийся вращающийся диск из окружающего пространства, после чего медленные волны плотности могли бы создать в диске возмущения в виде спиральных рукавов. При этом вся система должна оставаться спокойной и не переживать столкновений с другими галактиками^[2][8][10].

Обнаружение Алакнанды при красном смещении z ≈ 4 противоречит этим временны́м рамкам и указывает на то, что массивные и крупные спиральные галактики с их дисками и чёткими спиральными рукавами уже существовали всего через 1,5 млрд лет после Большого взрыва^[1][6]. Поэтому это открытие бросает вызов современным научным представлениям о формировании и эволюции галактик^[2]. Тот факт, что упорядоченная спиральная галактика сформировалась всего за несколько сотен миллионов лет, заставляет учёных пересмотреть современные численные модели космической эволюции и механизмы аккреции холодного газа в раннем космосе, а также сценарии образования спиральных рукавов. Поскольку у Алакнанды нет крупного бара, сценарий формирования спиральной структуры за счёт гравитационного воздействия бара для этой галактики также маловероятен^[1].

Ещё до открытия Алакнанды вместо классического медленного сценария формирования спиральной структуры был предложен альтернативный механизм, при котором изначально галактика представляет собой массивный гравитационно-неустойчивый газовый диск без балджа. Диск фрагментируется, и в нём быстро образуется несколько крупных звёздно-газовых сгустков размером ~1 кпк и массой 10⁸—10⁹ M_⊙. Под действием гравитационного взаимодействия друг с другом и с окружающей средой они мигрируют в центр галактики примерно за 0,5—0,7 млрд лет. В ходе своей миграции сгустки посредством гравитационных моментов сил перераспределяют вещество диска. Часть этого вещества выбрасывается из окрестностей сгустков и под действием дифференциального вращения диска принимает форму спиральных рукавов. Весь процесс от однородного диска до спиральной галактики занимает менее 1 млрд лет^{[12][13][6][3]}.

Возможно также образование спиральных рукавов за счет возмущений со стороны меньших галактик-спутников (хотя такие приливно-индуцированные спирали обычно быстро исчезают)^[2][11][10]. Рядом с Алакнандой обнаружена небольшая сфероидальная галактика, красное смещение которой, определённое спектроскопическим методом, равно z = 3,97. Вероятно, она гравитационно связана с Алакнандой и является её спутником^[3]. Наличие этого спутника могло бы объяснить образование спиральных рукавов у Алакнанды^[6]. Определить, какая из гипотез лучше подходит для Алакнанды, позволят дальнейшие наблюдения за ней с помощью телескопа «Джеймс Уэбб» и антенной решётки ALMA^[6].