В современной Вселенной массивных галактик предостаточно. Но Вселенная не всегда была такой. Астрономы считают, что галактики стали большими за счет слияний, поэтому то, что мы видим в космосе, является результатом миллиардов лет слияния галактик. Когда галактики сливаются, слияние может поставлять большие количества газа в их центры, иногда создавая квазар.
Многое из этого является теоретическим и окутано тайной, но астрономы, возможно, нашли доказательства слияния галактик, в результате которого образовался квазар.
Все галактики содержат межзвездный газ, но некоторые — как правило, более молодые — имеют гораздо более высокую концентрацию. Когда галактики, богатые газом, сливаются, они запускают быстрое звездообразование и поставляют большие объемы газа в центральную черную дыру, которая затем ярко вспыхивает и выглядит как светящийся квазар.
Квазар по сути является чрезвычайно активной черной дырой. Похоже, что все крупные галактики содержат в своих центрах сверхмассивную черную дыру, и когда эти черные дыры активно питаются, их называют активными ядрами галактик (AGN). Квазары являются самыми яркими из всех AGN и могут затмить целые галактики.
Но квазары в основном остались в прошлом. Активность квазаров, похоже, достигла пика около 10 миллиардов лет назад, и это одна из причин, по которой до сих пор существует так много вопросов об их формировании.
Астрономы заметили слияние двух древних, далеких галактик. В центрах обеих находятся тусклые квазары. Могут ли они быть прародителями ярких, массивных квазаров в ранней Вселенной? Одна международная группа исследователей так считает.
Результаты их нового исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal под названием «Слияние богатых газом галактик, в которых находятся квазары-близнецы с низкой светимостью на z = 6,05: многообещающий прародитель самых ярких квазаров». Ведущим автором является Такума Идзуми из Национальной астрономической обсерватории Японии.
«Когда мы впервые наблюдали взаимодействие этих двух галактик, это было похоже на наблюдение за танцем, в центре которого черные дыры начали расти».
Такума Идзуми, NAOJ
Квазары становятся чрезвычайно яркими и их легче наблюдать, но к тому времени слияние, которое их создало, уже разыгралось. Астрономам нужно увидеть тусклые квазары в состоянии до слияния, чтобы найти ответы на свои вопросы. Они хотят знать, какие процессы управляют слиянием богатых газом галактик и как часть газа поглощается вспышкой звездообразования, а часть его направляется в центр, создавая квазар.
«Хотя многоволновые наблюдения квазаров за последние годы значительно продвинулись вперед, понимание их предшественников отстает», — пишут авторы в своей статье.
При z = 6,05 эти квазары необычайно далеки и древни. Свет, достигающий нас сейчас, покинул эти объекты около 12,7 млрд лет назад в Космической Заре Вселенной. Из-за расширения Вселенной свет путешествовал около 23,5 млрд световых лет. Для многих из этих фотонов их долгое путешествие закончилось, когда они достигли телескопа Subaru и радиотелескопа ALMA.
Телескоп Subaru — оптический/инфракрасный телескоп на вершине Маунакеа, Гавайи, эксплуатируемый Национальной астрономической обсерваторией Японии (NAOJ). Он оснащен Hyper Suprime-Cam, 900-мегапиксельной цифровой камерой с чрезвычайно широким полем зрения. Вместе телескоп Subaru и Hyper Suprime-Cam позволяют астрономам обнаруживать очень слабые объекты в обзорах.
Subaru/Hyper Suprime-Cam открыла пару тусклых галактик в начале этого года с помощью телескопа Gemini North. Йошики Мацуока из Университета Эхимэ в Японии просматривал снимки, сделанные телескопом Subaru, и заметил слабое красное пятно. «Просматривая снимки кандидатов в квазары, я заметил два похожих и очень красных источника рядом друг с другом», — говорит Мацуока. «Открытие было чистой случайностью».
Пара квазаров, обнаруженных Subaru, настолько тускла, что астрономы предположили, что это пара до слияния. Но чтобы определить точную природу объектов, ведущий автор Идзуми и его коллеги обратились к другой мощной обсерватории: ALMA, Atacama Large Millimetre/submillimetre Array. Чтобы понять, что они видят, исследователям нужно было увидеть, как ведет себя газ в галактиках. ALMA — один из самых мощных инструментов астрономов для наблюдения за газом.
Большая часть газа в галактиках — водород, но его может быть трудно обнаружить. ALMA наблюдает то, что называется линией поглощения CII. Поскольку и водород, и CII обычно встречаются в газовых облаках, линия CII служит трассером водорода.
Наблюдая за распределением и движением водорода в галактиках, астрономы пришли к выводу, что пара находится в процессе слияния. Два доказательства подтверждают их вывод: мост материи, соединяющий их, и движение газа.
Однако установление того, что пара сливается, было лишь первым шагом. Настоящий вопрос заключается в том, создаст ли пара сливающихся галактик светящийся квазар. Чтобы определить это, исследователям пришлось измерить количество газа.
Используя ALMA, исследователи определили, что галактики содержат 100 миллиардов солнечных масс газа. Это больше газа, чем некоторые галактики, в которых находятся самые яркие квазары. Это необычайно большое количество газа не будет быстро исчерпано. Его достаточно, чтобы запустить и поддерживать как взрывное звездообразование после слияния, так и подпитку сверхмассивной черной дыры.
«Согласно моделям эволюции галактик, вызванной слиянием, как звездообразование, так и AGN активизируются взаимодействием богатых газом галактик», — пишут авторы в своем исследовании. «Таким образом, мы ожидаем, что эта пара превратится в светящийся квазар с высоким SFR, превышающим 1000 солнечных масс в год?1, что сопоставимо со значением для оптически светящихся квазаров, наблюдаемых до сих пор при высоких красных смещениях».
«Когда мы впервые наблюдали взаимодействие между этими двумя галактиками, это было похоже на наблюдение за танцем, в центре которого черные дыры начали расти. Это было действительно прекрасно», — сказал ведущий автор Идзуми.
Эти результаты имеют важное значение, поскольку они дают астрономам возможность взглянуть на формирование не только квазаров и взрывное звездообразование, но и на структуру и движение галактик.
«Благодаря объединенным возможностям телескопа Subaru и ALMA мы начали раскрывать природу центральных двигателей (сверхмассивных черных дыр), а также газа в родительских галактиках», — сказал Изуми.
Обнаружение пары квазаров до слияния — это эпохальное достижение. Квазары озадачивали астрономов с тех пор, как их впервые обнаружили с помощью радиоастрономии в 1950-х годах. Сначала они не знали, что это такое, и астрономы называли их квазизвездными объектами (QSO) и квазизвездными радиоисточниками. Название сократили до квазаров, и оно прижилось.
К 1960 году астрономы обнаружили сотни квазаров. Теперь мы знаем, что это такое, но у нас есть вопросы о том, как эти объекты появились. Это исследование отвечает на некоторые из них, но астрономы всегда жаждут более глубокого понимания природы, и, по словам Изуми, эта пара созрела для дальнейших наблюдений, которые должны раскрыть некоторые ответы.
Изуми указывает, что свойства звезд в обеих родительских галактиках неизвестны. «Используя космический телескоп Джеймса Уэбба, который в настоящее время работает, мы могли бы узнать о звездных свойствах этих объектов. Поскольку это долгожданные предки квазаров высокой светимости, которые должны служить драгоценной космической лабораторией, я надеюсь углубить наше понимание их природы и эволюции с помощью различных наблюдений в будущем», — сказал Изуми.
