В первый год работы компания Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) сделали несколько глубоких открытий. Они включали в себя предоставление самых четких изображений знаковых космических структур (таких как Столпы Творения), спектров передачи атмосфер экзопланет и захватывающих дух видов Юпитера, его крупнейших спутников, колец Сатурна, его крупнейшего спутника Титана и шлейфов Энцелада. Но Уэбб также сделал неожиданную находку в течение первого года наблюдений, которая может оказаться прорывом: серию маленьких красных точек в крошечной области ночного неба.
Эти маленькие красные точки наблюдались в рамках обзоров Уэбба «Галактики с эмиссионными линиями и межгалактический газ в эпоху реионизации» (EIGER) и «Спектроскопически полные наблюдения за первую эпоху реионизации» (FRESCO). Согласно новому анализу международной группы астрофизиков, эти точки представляют собой ядра галактик, содержащие предшественников сверхмассивных черных дыр (СМЧД), существовавших в ранней Вселенной. Существование этих черных дыр вскоре после Большого взрыва может изменить наше понимание того, как образовались первые сверхмассивные черные дыры в нашей Вселенной.
Исследование возглавил Йоррит Матти, доцент кафедры астрофизики Австрийского института науки и технологий (ISTA) и ETH Zürich. К нему присоединились исследователи из Института астрофизики и космических исследований Массачусетского технологического института Кавли, Центра космического рассвета (DAWN), Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ), Института Нильса Бора, Института астрономии Макса Планка (MPIA), Центр астробиологии (CAB), а также несколько университетов и обсерваторий. Их результаты были опубликованы в исследовании, недавно опубликованном в Астрофизический журнал.
Ученым уже давно известно, что сверхмассивные черные дыры находятся в центрах большинства массивных галактик. И хотя некоторые из них относительно дремлют, как СМЧД, расположенная в центре Млечного Пути (Стрелец А*), другие чрезвычайно активны и растут со скоростью несколько солнечных масс в год. Эти быстрорастущие черные дыры питают особенно яркие активные ядра галактик (АЯГ) – или квазары – которые становятся настолько яркими, что временно затмевают все звезды в своем диске, самые яркие из которых известны как квазары.
Квазары являются одними из самых ярких объектов, известных астрономам, и их можно увидеть на самом краю нашей расширяющейся Вселенной. Однако в последние годы астрономы заметили в ранней Вселенной несколько квазаров и сверхмассивных чёрных дыр, которые больше, чем предсказывают космологические модели. Как объяснил Матти в недавнем пресс-релизе ISTA:
«Одна из проблем с квазарами заключается в том, что некоторые из них кажутся слишком массивными, слишком массивными, учитывая возраст Вселенной, в котором квазары наблюдаются. Мы называем их «проблемными квазарами». Если принять 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. Это все равно что смотреть на пятилетнего ребенка ростом два метра. Что-то не складывается».
Мэти и его команда определили популяцию маленьких красных точек, изучая изображения, полученные во время исследований EIGER и FRESCO, крупной и средней кампании JWST первого года обучения, в которой Мэти принимал участие. Кампания EIGER была специально разработана для поиска редких голубых сверхмассивных квазаров и их окружения, а не квазаров в ранней Вселенной. Однако, УэббКамера ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) может снимать спектры излучения всех объектов известной Вселенной. Эти объекты ранее наблюдались Хаббл и ошибочно принимают за обычные галактики.
Но благодаря решению NIRCam команда под руководством ISTA почти случайно идентифицировала их как сверхмассивные черные дыры. По мнению Мэти, это случайное открытие может иметь глубокие последствия для астрономии и космологии:
«Не будучи разработанным для этой конкретной цели, JWST помог нам определить, что слабые маленькие красные точки, найденные очень далеко в далеком прошлом Вселенной, являются небольшими версиями чрезвычайно массивных черных дыр. Эти особые объекты могут изменить наше представление о происхождении черных дыр. Нынешние открытия 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?»
Команда смогла провести различие между галактиками и небольшими квазарами благодаря обнаружению NIRCam темно-красных эмиссионных линий (также известных как спектральные линии H?), которые образуются при нагревании атомов водорода. Они также обнаружили, что наблюдаемые ими линии имеют широкий профиль, который они использовали для отслеживания движения горячего газообразного водорода. «Чем шире основание буквы H? линий, тем выше скорость газа», — сказал Мэти. «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 СМЧД».
Не менее важными были полученные ими значения красного смещения для этих SMBG (З= 4,2-5,5), что указывает на то, что эти объекты существовали более 12 миллиардов лет назад – примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва. Более того, они заметили, что эти сверхмассивные черные дыры не были слишком массивными, как те, которые видны сегодня в соседних галактиках. Как указал Мэти:
«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 они пыльные. Пыль затемняет черные дыры и делает цвета красными».
В конце концов, поток газообразного водорода прорвет облака пыли и газа, которые окружают и затеняют массивные черные дыры («пылевой кокон»), и эти меньшие сверхмассивные черные дыры разовьются в гораздо более крупные. Таким образом, Мэти и его команда предположили, что маленькие красные точки — это маленькие красные версии гигантских синих сверхмассивных чёрных дыр в фазе, предшествующей «проблемным квазарам». Посредством последующих наблюдений астрономы смогут провести детальные исследования этих молодых сверхмассивных черных дыр, что может привести к лучшему пониманию того, как возникают проблемные квазары.
«Черные дыры и сверхмассивные черные дыры, возможно, самые интересные вещи во Вселенной. Трудно объяснить, почему они здесь, но они есть», — заключил Мэти. «Мы надеемся, что эта работа поможет нам приоткрыть одну из самых больших завес тайн Вселенной».
Дальнейшее чтение: ИСТА, Астрофизический журнал
