Переход скорости звездообразования и роста черных дыр по мере уменьшения красного смещения от режимов, в которых доминирует положительная обратная связь, к более поздней эпохе, когда обратная связь в основном отрицательная. Авторы и права: Стивен Берроуз, Розмари Вайс и Митч Бегельман.
Астрономы уже давно пытаются понять раннюю Вселенную, и благодаря космическому телескопу Джеймса Уэбба (JWST) появилась важная часть головоломки. Инфракрасные «глаза» телескопа заметили множество маленьких красных точек, идентифицированных как одни из самых ранних галактик, образовавшихся во Вселенной.
Это удивительное открытие — не просто визуальное чудо, это подсказка, которая может раскрыть тайны того, как галактики и их загадочные черные дыры начали свое космическое путешествие.
«Удивительное открытие Джеймса Уэбба заключается в том, что во Вселенной не только есть эти очень компактные и яркие инфракрасные объекты, но они, вероятно, являются областями, где уже существуют огромные черные дыры», — объясняет научный сотрудник JILA и профессор астрофизики Университета Колорадо в Боулдере Митч Бегельман. «Считалось, что это невозможно».
Бегельман и группа других астрономов, в том числе Джо Силк, профессор астрономии из Университета Джонса Хопкинса, опубликовали свои выводы в The Astrophysical Journal Letters, предполагая, что для объяснения существования этих огромных черных дыр необходимы новые теории создания галактик.
«Необходимо что-то новое, чтобы согласовать теорию формирования галактик с новыми данными», — уточняет Силк, ведущий автор потенциально новаторского исследования.
Традиционная история формирования галактики
Ранее астрономы постулировали несколько упорядоченную эволюцию, размышляя о том, как формировались галактики. Традиционные теории считали, что галактики формируются постепенно, собираясь на протяжении миллиардов лет. Считалось, что в этой медленной космической эволюции первыми возникли звезды, освещающие первобытную тьму.
«Идея заключалась в том, чтобы перейти от этого раннего поколения звезд к галактикам, в которых действительно преобладают звезды», — добавляет Бегельман. «Затем, ближе к концу этого процесса, вы начинаете строить эти черные дыры».
Считалось, что сверхмассивные черные дыры, эти загадочные и могущественные образования, появились после первых звезд и тихо росли в ядре галактики. Их считали регуляторами, время от времени вступающими в действие, чтобы сдерживать образование новых звезд и тем самым поддерживать галактический баланс.
Бросая вызов общепринятым представлениям
Благодаря наблюдениям JWST за «маленькими красными точками» исследователи обнаружили, что первые галактики во Вселенной были ярче, чем ожидалось, поскольку многие из них показали, что звезды сосуществуют с центральными черными дырами, известными как квазары.
«Квазары — самые яркие объекты во Вселенной», — объясняет Силк. «Они являются продуктами аккреции газа на массивные черные дыры в ядрах галактик, которые генерируют огромную светимость, затмевая родительские галактики. Они подобны монстрам в гнезде кукушки».
Увидев сосуществование звезд с черными дырами, исследователи быстро поняли, что традиционные теории формирования галактик ошибочны. «[This new data] выглядит как [the process is] наоборот, эти черные дыры сформировались вместе с первыми звездами, а затем последовала и остальная часть галактики», — говорит Бегельман. «Мы говорим, что рост черной дыры сначала способствует образованию звезд. И только потом, когда условия меняются, он переходит в режим выключения звезд».
В результате предложенного нового процесса исследователи обнаружили, что связь между звездообразованием и образованием черных дыр оказалась более тесной, чем ожидалось, поскольку каждый из них первоначально усиливал рост другого посредством процесса, известного как положительная обратная связь.
«Звездообразование ускоряет образование массивных черных дыр, и наоборот, в неразрывно связанной игре насилия, рождения и смерти, которая является новым маяком формирования галактик», — говорит Силк.
Затем, спустя почти миллиард лет, питающиеся гиганты стали подавлять, истощая газовые резервуары в своих галактиках и подавляя звездообразование. Эта «отрицательная обратная связь» возникла из-за энергосберегающих потоков — мощных ветров, которые выгоняли газ из галактик, лишая их материала, необходимого для создания новых звезд.
Новая галактическая временная шкала
Вооружившись открытием питательного поведения черных дыр, исследователи предложили новую временную шкалу перехода от положительной к отрицательной обратной связи на ранних стадиях формирования галактик. Глядя на различные световые спектры и химические характеристики, излучаемые этими «маленькими красными точками», исследователи предположили, что этот сдвиг произошел около 13 миллиардов лет назад, через один миллиард лет после Большого взрыва, периода, который астрономы классифицируют как «z ≈6». «
Определение этой переходной эпохи помогает астрономам выбрать для наблюдения определенные периоды в истории Вселенной. Он может определять будущие стратегии наблюдений с использованием телескопов, таких как JWST и других, для более эффективного изучения ранней Вселенной. Кроме того, поняв, когда произошел этот сдвиг, астрономы смогут лучше контекстуализировать характеристики современных галактик, включая размер, форму, звездный состав и уровень активности.
Валидация нового процесса
Чтобы подтвердить эту новую теорию совместного формирования галактик между звездами и черными дырами и обеспечить дальнейшее понимание происходящих процессов, необходимо компьютерное моделирование.
«Это займет некоторое время», — говорит Бегельман. «Сегодняшние компьютерные симуляции довольно примитивны, и чтобы все понять, нужно высокое разрешение. Это требует много вычислительной мощности и стоит дорого».
А до тех пор астрономическое сообщество может предпринять другие шаги для рассмотрения и подтверждения этой новой теории.
«Следующие шаги будут связаны с улучшением наблюдений», — добавляет Силк. «Вся мощь JWST для изучения спектров самых далеких галактик будет раскрыта в ближайшие годы».
И Бегельман, и Силк с оптимизмом смотрят на то, что остальная часть их области примет предложенную ими идею.
«Насколько мне известно, мы первые, кто пошел в столь радикальном направлении», — добавляет Бегельман. «На протяжении многих лет я как бы раздвигал границы возможного, работая с моими коллегами над проблемой образования черных дыр. Но JWST показывает нам, что мы недостаточно нестандартно мыслили».
