Galaksija Leviathan u svojim zvijezdama sadrži masu približno 220 milijardi Sunaca, ali ta golema masa nije sabijena u malu, gustu jezgru. Nova opažanja svemirskog teleskopa James Webb pokazuju da su zvijezde raspoređene kroz prostran disk. Taj raspored dovodi u pitanje pretpostavku da takve prašnjave galaksije nužno izrastaju u zbijene sustave koji su prestali stvarati zvijezde.
Leviathan promatramo u razdoblju kada je svemir bio star oko milijardu i pol godina. Astronomi su ga poznavali i prije Webba, no sada su preciznije odredili njegovu udaljenost, procijenili zvjezdanu masu i istražili gdje se ona nalazi. Pritom je posebno važan nalaz da se velik dio zvjezdane mase proteže daleko od galaktičkog središta.
William M. Baker sa Sveučilišta u Kopenhagenu i njegovi suradnici proučili su raspored zvijezda u Leviathanu, jednom od najmasivnijih potvrđenih galaktičkih sustava iz tog razdoblja. Rad je zasad dostupan na arXivu, a predan je i časopisu Astronomy & Astrophysics za rubriku Letters. Još nije prošao znanstvenu recenziju.
Prašina skriva razliku između sjaja i mase
Leviathan pripada submilimetarskim galaksijama, sustavima bogatima prašinom koji intenzivno stvaraju zvijezde. Prašina upija dio ultraljubičastog i vidljivog zračenja te ga ponovno emitira na duljim valnim duljinama. Zbog toga galaksija koja je slabo vidljiva u jednom dijelu spektra može biti vrlo sjajna u drugom.
Snažno zračenje prašine ponajprije otkriva područja u kojima nastaju nove zvijezde. Ono zato ne mora pokazivati gdje se nalazi najveći dio ukupne zvjezdane mase. Ako se promatra samo taj sjaj, cijela galaksija može izgledati zbijenije nego što njezina zvjezdana masa doista jest.
Za potpuniju sliku astronomi zato povezuju podatke različitih instrumenata. Webb bilježi infracrvenu svjetlost zvijezda, a mreža radioteleskopa ALMA prati hladnu prašinu. Takav pristup već je omogućio istraživanje unutarnjih struktura drugih ranih galaksija, o čemu je Kozmos ranije pisao.
Webb je potvrdio udaljenost galaksije poznate od 2012.
Objekt je prvi put prepoznat u submilimetarskim opažanjima 2012. godine pod oznakom AzUDS57. ALMA ga je poslije preciznije locirala kao AS2UDS0036.0. Procjene njegove udaljenosti dotad su se oslanjale na ukupne boje i sjaj u različitim filtrima, što ostavlja više prostora za nesigurnost.
Bakerov tim sada je Webbovim spektrografom NIRSpec prepoznao emisijske linije vodika i ioniziranog dušika te odredio crveni pomak od približno 4,05. Iz toga koliko je širenje svemira rastegnulo valnu duljinu svjetlosti astronomi mogu odrediti koliko daleko u prošlost gledaju.
Za procjenu zvjezdane mase tim je povezao mjerenja u 31 spektralnom pojasu i usporedio ih s modelima zvijezda i prašine. Procijenili su da ukupna masa zvijezda odgovara približno 220 milijardi Sunčevih masa. Budući da pojedinačne zvijezde mogu biti mnogo lakše ili teže od Sunca, njihov ukupan broj ne može se izravno izračunati iz te vrijednosti.
Prema istoj analizi, u Leviathanu svake godine nastanu nove zvijezde čija ukupna masa odgovara približno 410 Sunčevih masa. Galaksija je, dakle, vrlo aktivna, ali njezino stvaranje zvijezda nije ograničeno samo na usko središnje područje.
Polovica zvjezdane mase unutar polumjera od deset tisuća svjetlosnih godina
Polumjer unutar kojega se nalazi polovica procijenjene zvjezdane mase iznosi oko 3,1 kiloparseka, odnosno približno deset tisuća svjetlosnih godina. Polovica svjetlosti zabilježene kroz jedan Webbov filtar dolazi iz područja polumjera oko 4,3 kiloparseka. Galaksija se proteže i dalje, pa te vrijednosti ne označavaju njezin vanjski rub.
Razlika je važna jer sjaj nije savršena mjera mase. Mlađe zvijezde mogu svojim sjajem nadjačati starije, a prašina ne zaklanja sva područja jednako. Astronomi su zato zasebno analizirali različite dijelove galaksije i rezultate provjerili opažanjima na duljim infracrvenim valnim duljinama, na kojima prašina manje zaklanja zvijezde. Snimke ipak nisu dovoljno oštre da bi se isključila dodatna zbijena komponenta manja od približno 1,5 kiloparseka.
Za razliku od Leviathana, mnoge masivne galaksije iz usporedivog razdoblja koje su prestale stvarati zvijezde mnogo su kompaktnije. Galaksija GN20.2b ima sličnu masu i stopu stvaranja zvijezda kao Leviathan, ali je približno triput manja. Već ta usporedba pokazuje da vrlo masivne prašnjave galaksije nemaju nužno istu unutarnju građu.
Samo nastajanje zvijezda ne stvara zbijenu galaksiju
Autori su ispitali i što bi se dogodilo kad bi se dostupni plin pretvorio u zvijezde ondje gdje se sada nalazi prašina. U tom bi se slučaju polumjer koji obuhvaća polovicu zvjezdane mase smanjio tek na približno 2,8 kiloparseka. Sam nastavak sadašnjeg stvaranja zvijezda ne bi bio dovoljan za nastanak izrazito zbijene galaksije.
Drukčiji ishod zahtijevao bi znatan dotok mase prema središtu ili promjenu strukture, primjerice spajanjem s drugom galaksijom. Leviathan bi umjesto toga mogao postati prostran sustav s diskom u kojem je stvaranje zvijezda utihnulo. Takav razvoj zasad ostaje mogućnost koju treba provjeriti daljnjim istraživanjima.
Procijenjena velika masa pritom nije u neskladu sa standardnim kozmološkim modelom. Autori izričito navode da se procjena uklapa u model s hladnom tamnom tvari i tamnom energijom. Otvoreno je pitanje kako se masa rasporedila i kojim će putem galaksija nastaviti rasti. Webb pomaže razlikovati zvjezdane populacije unutar takvih sustava, što je važno i za istraživanje drugih udaljenih crvenih galaksija. Astronomi tako mogu preciznije pratiti kako su galaksije dobivale današnje oblike.
