На изображении телескопа Джеймса Уэбба квазар J0148 обведен красным. На двух вставках вверху изображена центральная черная дыра, а внизу — звездное излучение родительской галактики. Фото: предоставлено Минхао Юэ, Анной-Кристиной Эйлерс; НАСА
Астрономы Массачусетского технологического института наблюдали неуловимый звездный свет, окружающий некоторые из самых ранних квазаров во Вселенной. Отдаленные сигналы, которые прослеживаются более чем за 13 миллиардов лет до зарождения Вселенной, открывают ключ к разгадке того, как развивались самые первые черные дыры и галактики.
Квазары — это пылающие центры активных галактик, в ядре которых находится ненасытная сверхмассивная черная дыра. В большинстве галактик есть центральная черная дыра, которая иногда может питаться газом и звездным мусором, генерируя краткую вспышку света в форме светящегося кольца, когда вещество движется к черной дыре.
Квазары, напротив, могут поглощать огромное количество материи в течение гораздо более длительных периодов времени, создавая чрезвычайно яркое и продолжительное кольцо — настолько яркое, что квазары являются одними из самых ярких объектов во Вселенной.
Поскольку квазары настолько яркие, они затмевают остальную часть галактики, в которой они находятся. Но команде Массачусетского технологического института впервые удалось наблюдать гораздо более слабый свет звезд в родительских галактиках трех древних квазаров.
Основываясь на этом неуловимом звездном свете, исследователи оценили массу каждой родительской галактики по сравнению с массой ее центральной сверхмассивной черной дыры. Они обнаружили, что центральные черные дыры этих квазаров были гораздо более массивными по сравнению с родительскими галактиками по сравнению с их современными аналогами.
Результаты, опубликованные сегодня в «Астрофизическом журнале», могут пролить свет на то, как самые ранние сверхмассивные черные дыры стали такими массивными, несмотря на относительно короткий космический период времени для роста. В частности, эти самые ранние черные дыры-монстры, возможно, выросли из более массивных «семен», чем более современные черные дыры.
«После того, как Вселенная возникла, появились зародышевые черные дыры, которые затем поглотили материал и выросли за очень короткое время», — говорит автор исследования Минхао Юэ, постдок в Институте астрофизики и космических исследований Кавли Массачусетского технологического института. «Один из самых больших вопросов — понять, как эти чудовищные черные дыры могли вырасти такими большими и так быстро».
«Эти черные дыры в миллиарды раз массивнее Солнца, в то время как Вселенная все еще находится в зачаточном состоянии», — говорит автор исследования Анна-Кристина Эйлерс, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института. «Наши результаты подразумевают, что в ранней Вселенной сверхмассивные черные дыры могли набрать свою массу раньше, чем это сделали родительские галактики, а первоначальные зародыши черных дыр могли быть более массивными, чем сегодня».
В число соавторов Эйлерса и Юэ входят директор Массачусетского технологического института Кавли Роберт Симко, научный сотрудник Массачусетского технологического института им. Хаббла и постдок Рохан Найду, а также сотрудники из Швейцарии, Австрии, Японии и Университета штата Северная Каролина.
Ослепительные ядра
Чрезвычайная яркость квазара была очевидна с тех пор, как астрономы впервые обнаружили эти объекты в 1960-х годах. Тогда они предположили, что свет квазара исходит от одного звездообразного «точечного источника». Ученые назвали эти объекты «квазарами» как чемодан «квазизвездного» объекта.
Со времени этих первых наблюдений ученые поняли, что квазары на самом деле не имеют звездного происхождения, а возникают в результате аккреции очень мощных и устойчивых сверхмассивных черных дыр, находящихся в центрах галактик, в которых также есть звезды, которые намного слабее по сравнению с их ослепительными. ядра.
Было чрезвычайно сложно отделить свет центральной черной дыры квазара от света звезд родительской галактики. Задача немного похожа на различение поля светлячков вокруг центрального массивного прожектора. Но в последние годы у астрономов появилось гораздо больше шансов сделать это с запуском космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА (JWST), который смог заглянуть дальше во времени и с гораздо более высокой чувствительностью и разрешением, чем любой существующий телескоп. обсерватория.
В своем новом исследовании Юэ и Эйлерс использовали специальное время на JWST для наблюдения за шестью известными древними квазарами с перерывами с осени 2022 года до следующей весны. В общей сложности команда собрала более 120 часов наблюдений за шестью удаленными объектами.
«Квазар на порядки превосходит свою родительскую галактику. И предыдущие изображения не были достаточно четкими, чтобы различить, как выглядит родительская галактика со всеми ее звездами», — говорит Юэ. «Теперь мы впервые можем выявить свет этих звезд, очень тщательно смоделировав гораздо более четкие изображения этих квазаров, полученные JWST».
Легкий баланс
Команда подвела итоги изображений, собранных JWST каждого из шести далеких квазаров, возраст которых, по их оценкам, составляет около 13 миллиардов лет. Эти данные включали измерения света каждого квазара на разных длинах волн. Исследователи ввели эти данные в модель того, какая часть этого света, вероятно, исходит от компактного «точечного источника», такого как аккреционный диск центральной черной дыры, по сравнению с более рассеянным источником, таким как свет от рассеянных звезд, окружающих родительскую галактику. .
Посредством этого моделирования команда разделила свет каждого квазара на два компонента: свет от светящегося диска центральной черной дыры и свет от более рассеянных звезд родительской галактики. Количество света от обоих источников является отражением их общей массы. По оценкам исследователей, для этих квазаров соотношение между массой центральной черной дыры и массой родительской галактики составляло примерно 1:10. Они поняли, что это резко контрастирует с сегодняшним балансом масс 1:1000, при котором недавно образовавшиеся черные дыры гораздо менее массивны по сравнению с родительскими галактиками.
«Это говорит нам кое-что о том, что растет первым: сначала растет черная дыра, а затем ее догоняет галактика? Или галактика и ее звезды растут первыми, а они доминируют и регулируют рост черной дыры?» Эйлерс объясняет. «Мы видим, что черные дыры в ранней Вселенной, похоже, растут быстрее, чем родительские галактики. Это предварительное свидетельство того, что первоначальные зародыши черных дыр могли тогда быть более массивными».
«Должен был существовать какой-то механизм, заставивший черную дыру набрать массу раньше, чем ее родительская галактика, в те первые миллиарды лет», — добавляет Юэ. «Это своего рода первое свидетельство, которое мы видим в пользу этого, и это очень интересно».
Информация от: Массачусетским технологическим институтом.
Эта история переиздана благодаря MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), популярному сайту, на котором освещаются новости об исследованиях, инновациях и преподавании MIT.
