Kako su galaksije prešle iz kaosa u red?

U ranim fazama svemira, galaksije su bile nemirne mase plina i prašine, bez jasnog oblika i reda. Danas mnoge od njih, uključujući i Mliječnu stazu, pokazuju prepoznatljivu dvostruku strukturu: debeli i tanki disk zvijezda koji zajedno čine složeni kostur spiralne galaksije. Kako je nastala ta složenost? I kada se dogodio prijelaz iz turbulentne nestabilnosti u geometrijski uređenu strukturu?

Po prvi put, zahvaljujući promatranjima svemirskog teleskopa James Webb, astronomi su uspjeli rekonstruirati taj ključni dio povijesti galaktične evolucije.

Prvi sustavni pogled na diskove kroz vrijeme

Tim istraživača s Australskog nacionalnog sveučilišta predvodio je analizu arhivskih podataka s Webba kako bi proučio 111 spiralnih galaksija promatranih sa strane – takozvanih edge-on galaksija – u različitim epohama, sve do 11 milijardi godina unazad. To znači da su pratili galaktičku strukturu u razdoblju kada je svemir bio star tek 2,8 milijardi godina.

Njihova analiza pokazala je da spiralne galaksije ne nastaju ujednačeno. Umjesto toga, prvo se formira debeli disk, sastavljen od starih zvijezda, dok tanki disk dolazi kasnije – s mlađom, svjetlijom populacijom zvijezda koja se nalazi dublje u ravnini galaksije.

Webb otkriva ono što drugi teleskopi nisu mogli

“Uobičajeno je da mlad, tanak disk zasja toliko da potpuno prikrije stari, debeli sloj,” objašnjava voditelj istraživanja Takafumi Tsukui. “Ali Webbov senzor može vidjeti kroz prašinu i razlikovati ove dvije strukture, čak i kod vrlo udaljenih galaksija.”

Zahvaljujući visokoj prostornoj razlučivosti i osjetljivosti na infracrvenu svjetlost, Webb omogućuje astronomima promatranje starih, slabih zvijezda koje prethodno nisu bile vidljive. To otvara mogućnost analize unutarnje arhitekture galaksija koje su se oblikovale u najranijim fazama kozmosa.

Kada dolazi red? Sve ovisi o masi

Jedno od ključnih otkrića jest da trenutak kada se galaksija počinje strukturirati u dva diska ovisi o njezinoj masi. Masivne galaksije prešle su iz jednostavnog debelog diska u dvostruku strukturu prije oko 8 milijardi godina. Manje galaksije to su učinile znatno kasnije – oko 4 milijarde godina unatrag.

“To je prvi put da smo uspjeli razlučiti tanke diskove na tolikim udaljenostima,” kaže suautorica Emily Wisnioski. “Nismo očekivali da ćemo ih pronaći već tako rano.”

Ovo ukazuje na to da galaksije koje učinkovitije pretvaraju plin u zvijezde – što masivnije galaksije u pravilu jesu – stabiliziraju disk ranije i tako omogućuju nastanak tanjeg sloja.

Iz kaotičnog plina do tankih diskova

Kako bi dodatno testirali mehanizam iza ovog prijelaza, istraživači su koristili podatke s opservatorija ALMA i zemaljskih teleskopa koji promatraju gibanje plina u galaksijama.

Rezultati podržavaju tzv. scenarij turbulentnog plinskog diska: u ranim galaksijama, plin je bio nemiran, podložan gravitacijskim poremećajima, što je poticalo brzo stvaranje zvijezda i rezultiralo debelim diskom. Kako se populacija zvijezda povećavala, plin se postupno stabilizirao i počeo formirati tanji, uređeniji sloj.

Važno je naglasiti da se rast debelog diska ne zaustavlja u tom procesu – on i dalje akumulira zvijezde, no sporije od tanjeg diska.

Pogled prema prošlosti Mliječne staze

Jedna od zanimljivijih implikacija studije je da se prijelaz iz debelog u dvostruki disk događa u isto vrijeme kada je i naša Mliječna staza počela oblikovati svoj tanki sloj zvijezda.

Zahvaljujući Webbovim sposobnostima, astronomi sada mogu identificirati galaksije koje nalikuju ranoj Mliječnoj stazi, što bi moglo pomoći u rekonstrukciji vlastite povijesti galaksije u kojoj živimo.

“Ova studija je početak,” zaključuje Tsukui. “Naš je cilj dodati više slojeva podataka – gibanje zvijezda, njihovu starost i kemijski sastav. Tako ćemo moći usporediti galaksije kroz različite epohe i shvatiti kako se diskovi zapravo formiraju.”

Studija je objavljena u časopisu Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.