В физической космологии протогалактика , которую также можно назвать « первичной галактикой », представляет собой облако газа , которое формируется в галактику . Считается, что скорость звездообразования в течение этого периода галактической эволюции определит, является ли галактика спиральной или эллиптической ; более медленное звездообразование имеет тенденцию производить спиральную галактику. Меньшие сгустки газа в протогалактике формируются в звезды .
Термин «протогалактика» сам по себе, как правило, означает «Прародители современных (нормальных) галактик на ранних стадиях формирования». Однако «ранние стадии формирования» — это не четко определенная фраза. Ее можно определить как: «Первый крупный всплеск звездообразования в прародителе современной эллиптической галактики»; «Пиковая эпоха слияния темных гало фрагментов, которые собираются, чтобы создать среднюю галактику сегодня»; «Все еще газообразное тело до того, как произошло какое-либо звездообразование»; или «сверхплотная область темной материи в очень ранней Вселенной , обреченная стать гравитационно связанной и коллапсировать». [1]
Считается, что ранняя вселенная началась с почти равномерного распределения (каждая частица находилась на равном расстоянии от следующей) материи и темной материи. Затем темная материя начала слипаться под действием гравитационного притяжения из-за начального спектра возмущений плотности, вызванных квантовыми флуктуациями . [1] Это вытекает из принципа неопределенности Гейзенберга , который показывает, что могут быть крошечные временные изменения в количестве энергии в пустом пространстве. [ требуется ссылка ] Пары частица/ античастица могут образовываться из этой энергии посредством эквивалентности массы и энергии , и гравитационное притяжение заставляет другие близлежащие частицы двигаться к ней, нарушая равномерное распределение и создавая центр тяжести, притягивая близлежащие частицы ближе. Когда это происходит при нынешних размерах вселенной, это незначительно, но состояние этих крошечных флуктуаций, когда вселенная начала расширяться из одной точки, оставило впечатление, которое масштабировалось по мере расширения вселенной, приводя к большим областям повышенной плотности. Затем гравитация этих более плотных сгустков темной материи заставила близлежащую материю начать падать в более плотную область. [2] Этот тип процесса, как сообщается, наблюдался и анализировался Нильссоном и др. в 2006 году. [3] [4] Это привело к образованию облаков газа, в основном водорода , и первые звезды начали формироваться внутри этих облаков. Эти облака газа и ранние звезды, во много раз меньшие, чем наша галактика, были первыми протогалактиками. [5]
Установленная теория заключается в том, что группы небольших протогалактик были притянуты вместе гравитацией и столкнулись, что привело к образованию гораздо более крупных «взрослых» галактик, которые мы имеем сегодня. [5] Это следует процессу иерархической сборки, который является непрерывным процессом, в котором более крупные тела непрерывно формируются из слияния более мелких. [1] [6]
Поскольку не было никакого предыдущего звездообразования для создания других элементов, протогалактики должны были состоять почти полностью из водорода и гелия. Водород должен был связываться, образуя молекулы H2 , за некоторыми исключениями. [7] Это должно было измениться, когда началось звездообразование и появилось больше элементов в процессе ядерного синтеза .
Как только протогалактика начинает формироваться, все частицы, связанные ее гравитацией, начинают свободно падать к ней. Время, необходимое для завершения этого свободного падения, можно приблизительно рассчитать с помощью уравнений свободного падения . Большинство галактик завершили эту стадию свободного падения, став стабильными эллиптическими или дисковыми галактиками, причем дискам требуется больше времени для полного формирования. Формирование скоплений галактик занимает гораздо больше времени и все еще продолжается в настоящее время. [1] На этой стадии галактики также приобретают большую часть своего углового момента . Протогалактика приобретает его из-за гравитационного влияния соседних плотных сгустков в ранней Вселенной, и чем дальше газ находится от центра, тем большее вращение он получает. [8]
Светимость протогалактик исходит из двух источников. Прежде всего, это излучение от ядерного синтеза водорода в гелий в ранних звездах. Считается, что этот ранний всплеск звездообразования сделал светимость протогалактики сравнимой со светимостью современной галактики со вспышкой звездообразования или квазара . Другой источник — это высвобождение избыточной гравитационной энергии связи . [1] Основная длина волны, ожидаемая от протогалактики, — это разновидность ультрафиолета, называемая Лайман-альфа , которая является длиной волны, испускаемой водородным газом при ионизации его излучением звезды. [1] [5]
Протогалактики теоретически можно увидеть и сегодня, поскольку свету из самых дальних уголков Вселенной требуется очень много времени, чтобы достичь Земли, в некоторых местах достаточно долго, чтобы мы могли увидеть их на стадии, когда они заселены протогалактиками. За последние 30 лет было предпринято много попыток найти протогалактики с помощью телескопов из-за ценности такого открытия для подтверждения того, как формируются галактики, но само расстояние, которое должен был бы пройти любой свет, чтобы он был достаточно старым, чтобы исходить от протогалактики, очень велико. Это, в сочетании с тем фактом, что длина волны Лайман-альфа довольно легко поглощается пылью, заставило некоторых астрономов думать, что протогалактики могут быть слишком слабыми для обнаружения. [9]
В 1996 году кандидат в протогалактики был обнаружен Йи и др. с помощью Канадской сети наблюдательной космологии (CNOC). Объект представлял собой дисковую галактику с высоким красным смещением и очень высокой светимостью. [10] Позднее обсуждалось, что невероятная светимость была вызвана гравитационным линзированием переднего фона галактического скопления . [11]
В 2006 году К. Нильссон и др. сообщили об обнаружении «капли», испускающей ультрафиолетовое излучение Лайман-альфа. Анализ показал, что это было гигантское облако водородного газа, падающее на сгусток темной материи в ранней Вселенной, создавая протогалактику. [3] [4]
В 2007 году Майкл Раух и др. [12] использовали VLT для поиска сигнала от межгалактического газа, когда они обнаружили десятки дискретных объектов, испускающих большие объемы ультрафиолетового излучения типа Лайман-альфа. Они пришли к выводу, что эти 27 объектов были примерами протогалактик возрастом 11 миллиардов лет. [5]
