Вселенная полна галактик, многие из которых содержат сверхмассивные черные дыры. Это вызвало вопрос: что появилось раньше — галактики или их черные дыры? Ответ становится очень ясным благодаря первому году наблюдений, проведенных космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST). Черные дыры существовали во Вселенной с древнейших времен, вместе с самыми первыми галактиками. И они помогли сформировать космос, который мы наблюдаем сегодня.
Когда-то у астрономов было иерархическое представление о том, как формировались вещи в ранней Вселенной. Они считали, что первыми образовались самые ранние звезды, а затем самые ранние галактики. Затем появились черные дыры, и, похоже, они росли очень быстро. Однако наблюдения JWST намекают на другую временную шкалу: сверхмассивные черные дыры, вероятно, существовали уже в первые «эпохи» космической истории. Они ускорили образование новых звезд в ранней Вселенной, даже когда они росли вместе со своими галактиками. Так утверждает Джозеф Силк и группа астрономов, которые только что опубликовали анализ изображений и данных JWST за первый год работы телескопа. Они предполагают, что черные дыры и галактики сосуществовали и влияли на развитие друг друга в течение первых 100 миллионов лет космического существования.
«Мы знаем, что эти чудовищные черные дыры существуют в центрах галактик вблизи нашего Млечного Пути, но теперь большим сюрпризом является то, что они присутствовали и в начале Вселенной и были почти как строительные блоки или семена для ранних галактик», — сказал он. Силк, профессор физики и астрономии Университета Джонса Хопкинса и Института астрофизики в Париже, Университета Сорбонны. «Они действительно ускорили все, как гигантские усилители звездообразования, что полностью изменило то, что мы считали возможным раньше — настолько, что это могло полностью поколебать наше понимание того, как формируются галактики».
Традиционные представления о черных дырах и галактиках
На протяжении десятилетий астрономы утверждали, что самые первые звездные черные дыры образовались, когда самые ранние сверхмассивные звезды подходили к концу своей жизни. Эти звезды часто характеризуются как монстры и одиночки в молодой Вселенной. Они прожили очень короткую жизнь и взорвались в результате катастрофических событий сверхновых, выбросив большую часть своих внешних слоев в космос. Оставшиеся ядра рухнули и образовали одни из самых ранних звездных черных дыр. Черные дыры, вероятно, объединились и накопили больше материи, образовав зародыши первых сверхмассивных дыр в сердцах галактик.
В то же время общепринятое мнение о галактиках гласит, что они образовались в результате коллапса гигантских газовых облаков. За этим последовали волны звездообразования и, предположительно, еще больше звездных черных дыр.
Переворачивает ли JWST существующие теории? Может быть, типа того
Эта общепринятая точка зрения не совсем ошибочна. Однако это не объясняет сверхмассивные черные дыры, которые существовали так рано в космическом времени — задолго до того, как они должны были появиться. Это то, над чем астрономы все еще работают. И это не объясняет, почему некоторые очень ранние галактики выглядят чертовски яркими. Но именно здесь свою роль играют ранние сверхмассивные черные дыры. Силк говорит, что в ранних газовых облаках происходило что-то еще — что-то необычное. «Большой сюрприз заключается в том, что в середине этого облака было семя — большая черная дыра — и это помогло быстро превратить внутреннюю часть этого облака в звезды со скоростью, намного большей, чем мы когда-либо ожидали. Поэтому первые галактики невероятно яркие».
Наблюдения JWST подтверждают это открытие яркости. Телескоп обнаружил далекие ранние галактики, которые оказались намного ярче, чем ожидали астрономы. Наблюдения также показывают необычно большое количество действительно ярких звезд «тогда», а также сверхмассивных черных дыр. Они гораздо массивнее для своего возраста, чем ожидалось. Итак, благодаря им наши взгляды на Вселенную с помощью JWST меняют астрономию.
Что сейчас думают астрономы о ранних черных дырах?
Поскольку черные дыры являются ключом к пониманию этих ранних открытий, давайте посмотрим, что означает их раннее присутствие. Похоже, что ранние галактики и их сверхмассивные черные дыры, возможно, выросли вместе в молодой Вселенной. Хотя эти монстры обладают чрезвычайно сильными гравитационными полями, от которых ничто не может уйти, сверхмассивные черные дыры сообщают о своем присутствии и другими способами. У них чрезвычайно сильные магнитные поля, которые действуют как гигантские ускорители частиц. Мы часто видим струи материала, уносящиеся от черных дыр, в значительной степени ускоряемые действием этих магнитных полей. Джеты ярки в различных длинах волн света, и вся их активность освещает ядра галактик, в которых живут черные дыры. В них также наблюдается определенный всплеск звездообразования.
«Мы не можем видеть эти сильные ветры или струи далеко-далеко, но мы знаем, что они должны присутствовать, потому что мы видим много черных дыр на ранних этапах Вселенной», — объяснил Силк. «Эти огромные ветры, исходящие из черных дыр, разрушают близлежащие газовые облака и превращают их в звезды. Это недостающее звено, которое объясняет, почему эти первые галактики оказались намного ярче, чем мы ожидали».
JWST обнаруживает все, кроме черных дыр, и на основе своих наблюдений Силк и его команда предполагают, что зарождающаяся Вселенная прошла через две фазы. Оба по-разному находились под влиянием черных дыр. Сначала высокоскоростные потоки (струи и ветры) воздействовали на окружающие газовые облака и повышали скорость звездообразования. Затем активность черной дыры замедлилась, что повлияло на скорость звездообразования. Силк отметил, что результатом стало сокращение количества газа, доступного для формирования звезд в первых галактиках. Итак, яркие галактики, которые видит JWST, сформировались с помощью черных дыр.
Следующие шаги
Наблюдения JWST остаются ключом к выяснению того, сработает ли эта новая двухфазная идея космической эволюции. Телескоп должен обеспечить точное количество звезд и сверхмассивных черных дыр в молодой Вселенной и подтвердить предсказания Силка и его команды.
Более того, однако, история не заканчивается на зарождающейся Вселенной. Нам предстоит объяснить 13,5 миллиардов лет космической эволюции. И теперь, когда связь между ранними черными дырами и галактиками укрепляется, возникают вопросы о сверхмассивных галактиках, которые мы видим сегодня.
«Большой вопрос в том, каковы были наши начинания?», — сказал Силк. «Солнце — это одна звезда из 100 миллиардов в Галактике Млечный Путь, а посередине также находится огромная черная дыра. Какая связь между ними?» он сказал. «Через год у нас будут гораздо более качественные данные, и на многие наши вопросы начнут появляться ответы».
Для дополнительной информации
Что появилось раньше: сверхмассивные черные дыры или галактики? Информация от JWST
Что появилось раньше: черные дыры или галактики? (пресс-релиз)
