Гигантский квазар и маленькие красные точки. Изображение светящегося квазара J1148+5251, чрезвычайно редкой активной сверхмассивной черной дыры с массой 10 миллиардов солнечных масс, полученное космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST) НАСА/ЕКА/ККА (JWST) NIRCam. Свет квазара, оранжевого звездообразного источника с шестью четкими дифракционными пиками, излучался 13 миллиардов лет назад. Существование таких массивных черных дыр в молодой Вселенной представляет собой серьезную проблему для теорий формирования черных дыр и галактик. Одновременно на изображении были зафиксированы небольшие точечные красные объекты, так называемые маленькие красные точки. Несколько таких объектов появляются практически на каждом глубоком изображении JWST. Как и квазар J1148+5251, свет от этих объектов (который в этих случаях излучался 12,5 миллиардов лет назад) также питается сверхмассивными черными дырами. Однако эти черные дыры имеют массу в сто-тысячу раз меньше и сильно закрыты пылью (из-за чего они кажутся красными). Маленькие красные точки могут представлять собой галактики, находящиеся на стадии эволюции, предшествующей фазе светящихся квазаров, и, следовательно, помочь исследователям понять формирование и роль сверхмассивных черных дыр в далеких галактиках. Авторы и права: НАСА, ЕКА, CSA, Дж. Матти (ISTA), Р. Маккензи (ETH Цюрих), Д. Кашино (Национальная обсерватория Японии), С. Лилли (ETH Цюрих).
Космический телескоп Джеймса Уэбба сделал одно из самых неожиданных открытий за первый год своей работы: большое количество слабых маленьких красных точек в далекой Вселенной может изменить наше понимание происхождения сверхмассивных черных дыр.
Исследование, проведенное Джорритом Матти, доцентом астрофизики Австрийского института науки и технологий (ISTA), теперь опубликовано в The Astrophysical Journal.
Группа маленьких красных точек, обнаруженная в крошечной области нашего ночного неба, действительно может стать неожиданным прорывом для космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) в течение его первого года службы. Эти объекты были неотличимы от обычных галактик сквозь «глаза» старого космического телескопа «Хаббл».
«Не будучи разработанным для этой конкретной цели, JWST помог нам определить, что слабые маленькие красные точки, найденные очень далеко в далеком прошлом Вселенной, являются маленькими версиями чрезвычайно массивных черных дыр. Эти особые объекты могут изменить то, как мы подумайте о происхождении черных дыр», — говорит Матти, доцент Австрийского института науки и технологий (ISTA) и ведущий автор исследования.
«Настоящие результаты могут приблизить нас на один шаг к ответу на одну из величайших дилемм астрономии: согласно современным моделям, некоторые сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной просто выросли «слишком быстро». Тогда как они образовались?»
Космические точки невозврата
Ученые долгое время считали черные дыры математической диковинкой, пока их существование не стало все более очевидным. Эти странные космические бездонные ямы могут иметь такую компактную массу и сильную гравитацию, что ничто не может избежать их силы притяжения; они втягивают в себя все, включая космическую пыль, планеты и звезды, и деформируют пространство и время вокруг себя так, что даже свет не может покинуть их.
Общая теория относительности, опубликованная Альбертом Эйнштейном более века назад, предсказала, что черные дыры могут иметь любую массу. Одними из наиболее интригующих черных дыр являются сверхмассивные черные дыры (СМЧД), масса которых может достигать массы в миллионы и миллиарды раз больше солнечной. Астрофизики сходятся во мнении, что в центре почти каждой крупной галактики есть СМЧД. Доказательство того, что Стрелец А* — это сверхмассивная чёрная дыра в центре нашей галактики, масса которой более чем в четыре миллиона раз превышает массу Солнца, принесла Нобелевскую премию по физике 2020 года.
Слишком массивный, чтобы быть там
Однако не все СМЧД одинаковы. Хотя Стрелец А* можно сравнить со спящим вулканом, некоторые сверхмассивные черные дыры растут чрезвычайно быстро, поглощая астрономические количества материи. Таким образом, они становятся настолько светящимися, что их можно наблюдать вплоть до края постоянно расширяющейся Вселенной. Эти сверхмассивные черные дыры называются квазарами и являются одними из самых ярких объектов во Вселенной.
«Одна из проблем с квазарами заключается в том, что некоторые из них кажутся чрезмерно массивными, слишком массивными, учитывая возраст Вселенной, в котором они наблюдаются. Мы называем их «проблемными квазарами», — говорит Мэти.
«Если мы примем во внимание, что квазары возникают в результате взрывов массивных звезд – и что мы знаем максимальную скорость их роста из общих законов физики, некоторые из них выглядят так, будто они выросли быстрее, чем это возможно. — старый ребенок, ростом два метра. Что-то не складывается», — объясняет он.
Могут ли сверхмассивные черные дыры расти даже быстрее, чем мы первоначально думали? Или они формируются по-другому?
Маленькие версии гигантских космических монстров
Теперь Мэти и его коллеги идентифицируют группу объектов, которые на изображениях JWST выглядят как маленькие красные точки. Также они демонстрируют, что эти объекты являются сверхмассивными черными дырами, но не слишком массивными.
Центральным моментом в определении того, что эти объекты являются сверхмассивными черными дырами, было обнаружение спектральных эмиссионных линий Ha с широкими профилями линий. Линии Ha — это спектральные линии в темно-красной области видимого света, которые излучаются при нагревании атомов водорода. Ширина спектров отражает движение газа.
«Чем шире основание линий Ha, тем выше скорость газа. Таким образом, эти спектры говорят нам, что мы наблюдаем очень маленькое газовое облако, которое движется чрезвычайно быстро и вращается вокруг чего-то очень массивного, такого как сверхмассивная чёрная дыра», — говорит Мэти.
Однако маленькие красные точки — это не гигантские космические монстры, встречающиеся в чрезмерно массивных сверхмассивных черных дырах.
«Хотя «проблемные квазары» голубые, чрезвычайно яркие и достигают массы в миллиарды раз больше Солнца, маленькие красные точки больше похожи на «детских квазаров». Их массы составляют от десяти до ста миллионов солнечных масс. Кроме того, они кажутся красными, потому что покрыты пылью. Пыль затеняет черные дыры и делает цвета красными», — говорит Мэти.
Но в конечном итоге истечение газа из черных дыр прорвет пылевой кокон, и из этих маленьких красных точек разовьются гиганты. Таким образом, астрофизик ISTA и его команда предполагают, что маленькие красные точки — это маленькие красные версии гигантских синих сверхмассивных чёрных дыр в фазе, предшествующей проблемным квазарам.
«Более детальное изучение детских версий чрезмерно массивных сверхмассивных черных дыр позволит нам лучше понять, как возникают проблемные квазары», — объясняет Мэти.
«Прорывная» технология
Мэти и его команда смогли найти детские квазары благодаря наборам данных, полученным в результате коллабораций EIGER (Галактики с эмиссионными линиями и межгалактический газ в эпоху реионизации) и FRESCO (Спектроскопически полные наблюдения в эпоху первой реионизации). Это большая и средняя программы JWST, в которых принимал участие Матти. В декабре прошлого года журнал Physics World включил EIGER в десятку лучших достижений 2023 года.
«EIGER был разработан специально для изучения редких синих сверхмассивных квазаров и их окружения. Он не был предназначен для поиска маленьких красных точек. Но мы обнаружили их случайно в том же наборе данных. Это связано с тем, что с помощью камеры ближнего инфракрасного диапазона JWST EIGER получает спектры излучения всех объектов во Вселенной», — говорит Мэти. «Если вы поднимете указательный палец и полностью вытянете руку, область ночного неба, которую мы исследовали, будет соответствовать примерно двадцатой поверхности вашего ногтя. Пока мы, вероятно, только поцарапали поверхность».
Мэти уверен, что настоящее исследование откроет множество возможностей и поможет ответить на некоторые важные вопросы о Вселенной.
«Черные дыры и сверхмассивные черные дыры, возможно, самые интересные вещи во Вселенной. Трудно объяснить, почему они там существуют, но они там есть. Мы надеемся, что эта работа поможет нам приоткрыть одну из самых больших завес тайн Вселенной». он заключает.
Информация от: Институтом науки и технологий Австрии.
