На этом изображении, полученном космическим телескопом Джеймса Уэбба НАСА, показан древний квазар (обведен красным) с меньшим, чем ожидалось, соседними галактиками (яркими пятнами), что бросает вызов пониманию физиков того, как формировались первые квазары и сверхмассивные черные дыры. Фото предоставлено: Кристина Эйлерс/команда EIGER
Квазар — это чрезвычайно яркое ядро галактики с активной сверхмассивной черной дырой в центре. Поскольку черная дыра засасывает окружающий газ и пыль, она выбрасывает огромное количество энергии, что делает квазары самыми яркими объектами во Вселенной. Квазары наблюдались через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, и остается загадкой, как эти объекты могли стать такими яркими и массивными за такое короткое космическое время.
Ученые предположили, что самые ранние квазары возникли из чрезмерно плотных областей первичной материи, которая также могла дать начало множеству меньших галактик в окружении квазаров. Но в новом исследовании, проведенном Массачусетским технологическим институтом, астрономы наблюдали несколько древних квазаров, которые оказались на удивление одинокими в ранней Вселенной.
Астрономы использовали космический телескоп имени Джеймса Уэбба НАСА (JWST), чтобы оглянуться назад во времени, на более чем 13 миллиардов лет, и изучить космическую среду пяти известных древних квазаров. Они обнаружили удивительное разнообразие в своем районе — «квазарных полях». В то время как некоторые квазары расположены в очень плотных полях с более чем 50 соседними галактиками, как предсказывают все модели, остальные квазары кажутся плавающими в полостях, где поблизости находится лишь несколько рассеянных галактик.
Эти одинокие квазары бросают вызов пониманию физиков того, как такие светящиеся объекты могли образоваться так рано во Вселенной, не имея значительного источника окружающей материи, подпитывающей рост их черных дыр.
«Вопреки предыдущим предположениям, мы обнаруживаем, что в среднем эти квазары не обязательно расположены в областях с самой высокой плотностью ранней Вселенной. Некоторые из них, кажется, находятся где-то в глуши», — говорит Анна-Кристина Эйлерс, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института. «Трудно объяснить, как эти квазары могли стать такими большими, когда кажется, что им нечем питаться».
Существует вероятность, что эти квазары не так изолированы, как кажутся, а окружены галактиками, сильно окутанными пылью и поэтому не видимыми. Эйлерс и ее коллеги надеются адаптировать свои наблюдения, чтобы увидеть сквозь космическую пыль и понять, как квазары в ранней Вселенной стали такими большими и так быстро.
Эйлерс и ее коллеги сообщают о своих выводах в статье, опубликованной в Astrophysical Journal. Среди соавторов MIT — постдоки Рохан Найду и Минхао Юэ; Роберт Симко, профессор физики Фрэнсиса Фридмана и директор Института астрофизики и космических исследований Кавли Массачусетского технологического института; и сотрудники таких учреждений, как Лейденский университет, Калифорнийский университет в Санта-Барбаре, ETH Zurich и других.
Галактические соседи
Пять недавно обнаруженных квазаров являются одними из старейших квазаров, наблюдаемых на сегодняшний день. Считается, что объекты возрастом более 13 миллиардов лет образовались через 600–700 миллионов лет после Большого взрыва. Сверхмассивные черные дыры, питающие квазары, в миллиард раз массивнее Солнца и более чем в триллион раз ярче. Из-за своей чрезвычайной светимости свет каждого квазара может преодолевать возраст Вселенной, достаточно далеко, чтобы достичь сегодня высокочувствительных детекторов JWST.
«Просто феноменально, что теперь у нас есть телескоп, который может так подробно уловить свет, произошедший 13 миллиардов лет назад», — говорит Эйлерс. «Впервые JWST позволил нам изучить окружающую среду этих квазаров, то, где они выросли и как выглядели их окрестности».
Команда проанализировала изображения пяти древних квазаров, полученные JWST в период с августа 2022 года по июнь 2023 года. Наблюдения каждого квазара включали в себя несколько «мозаичных» изображений или частичных изображений поля квазара, которые команда эффективно сшила вместе, чтобы создать полную картину окружающей среды каждого квазара.
Телескоп также провел измерения света на нескольких длинах волн в поле каждого квазара, которые затем обработала команда, чтобы определить, является ли конкретный объект в поле светом соседней галактики и насколько далеко галактика находится от гораздо более яркого центрального квазара.
«Мы обнаружили, что единственная разница между этими пятью квазарами заключается в том, что их окружающая среда выглядит совершенно по-разному», — говорит Эйлерс. «Например, вокруг одного квазара находится почти 50 галактик, а у другого — только две. И оба квазара имеют тот же размер, объем, яркость и время, что и Вселенная. Это было действительно удивительно увидеть».
Скачки роста
Неравенство полей квазаров искажает стандартную картину роста черных дыр и формирования галактик. Насколько физики знают об образовании первых объектов во Вселенной, курс должна была задать космическая паутина темной материи. Темная материя — это до сих пор неизвестная форма материи, которая не имеет никаких других взаимодействий с окружающей средой, кроме гравитации.
Считается, что вскоре после Большого взрыва в ранней Вселенной образовались волокна темной материи, которые действовали как своего рода гравитационные магистрали, притягивая газ и пыль вдоль своих усиков. В чрезмерно плотных областях этой сети материя скопилась бы в более массивные объекты. А самые яркие и массивные ранние объекты, такие как квазары, сформировались бы в областях сети с самой высокой плотностью, что также дало бы начало множеству других, меньших галактик.
«Космическая паутина темной материи является надежным предсказанием нашей космологической модели Вселенной и может быть подробно описана с помощью численного моделирования», — говорит соавтор Элия Пиццати, докторант Лейденского университета. «Сравнивая наши наблюдения с этим моделированием, мы можем определить, где в космической паутине расположены квазары».
По оценкам ученых, квазарам пришлось бы непрерывно расти с очень высокими темпами аккреции, чтобы достичь экстремальной массы и светимости в то время, когда их наблюдали астрономы, менее чем через миллиард лет после Большого взрыва.
«Главный вопрос, на который мы пытаемся ответить: как формируются эти черные дыры с миллиардной солнечной массой в то время, когда Вселенная еще очень, очень молода? «Это все еще находится в зачаточном состоянии», — говорит Эйлерс.
Выводы команды могут вызвать больше вопросов, чем ответов. «Одинокие» квазары, похоже, живут в относительно пустых областях космоса. Если космологические модели физиков верны, эти бесплодные области представляют собой очень мало темной материи или исходного материала для формирования звезд и галактик. Как же тогда образовались чрезвычайно яркие и массивные квазары?
«Наши результаты показывают, что значительная часть головоломки о том, как растут эти сверхмассивные черные дыры, все еще отсутствует», — говорит Эйлерс. «Если для некоторых квазаров недостаточно материала для непрерывного роста, это означает, что должен быть другой способ их роста, который нам еще предстоит выяснить».
Информация от: Массачусетским технологическим институтом.
