На этом изображении, полученном с помощью прибора NIRCam (камера ближнего инфракрасного диапазона) Уэбба, показана часть поля галактик GOODS-North. В правом нижнем углу на фрагменте выделена галактика GN-z11, которая видна всего через 430 миллионов лет после Большого взрыва. На изображении виден расширенный компонент, отражающий родительскую галактику GN-z11, и центральный компактный источник, цвета которого соответствуют цветам аккреционного диска, окружающего черную дыру. Авторы и права: НАСА, ЕКА, CSA, Б. Робертсон (Калифорнийский университет в Санта-Крузе), Б. Джонсон (CfA), С. Такчелла (Кембридж), М. Рике (Университет Аризоны), Д. Эйзенштейн (CfA), CC BY 4.0 Стандартная лицензия INT или ESA
Заглядывая вглубь пространства и времени, две команды с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба NASA/ESA/CSA изучили исключительно яркую галактику GN-z11, которая существовала, когда нашей Вселенной возрастом 13,8 миллиардов лет было всего около 430 миллионов лет.
Выполняя свое обещание изменить наше понимание ранней Вселенной, космический телескоп Джеймса Уэбба исследует галактики на заре времен. Одной из них является исключительно яркая галактика GN-z11, которая существовала, когда Вселенная была лишь крошечной частью своего нынешнего возраста. Первоначально обнаруженная с помощью космического телескопа «Хаббл» НАСА/ЕКА, она является одной из самых молодых и самых далеких галактик, когда-либо наблюдавшихся, а также одной из самых загадочных. Почему оно такое яркое? Уэбб, похоже, нашел ответ.
Команда, изучающая GN-z11 вместе с Уэббом, нашла первое явное свидетельство того, что в галактике есть центральная сверхмассивная черная дыра, которая быстро аккрецирует материю. Их открытие делает эту самую далекую активную сверхмассивную черную дыру, обнаруженную на сегодняшний день.
«Мы обнаружили чрезвычайно плотный газ, который часто встречается в окрестностях сверхмассивных черных дыр, аккумулирующих газ», — объяснил главный исследователь Роберто Майолино из Кавендишской лаборатории и Института космологии Кавли при Кембриджском университете в Соединенном Королевстве. «Это были первые явные признаки того, что в GN-z11 находится черная дыра, поглощающая материю».
На этом изображении, состоящем из двух частей, показаны признаки газообразного сгустка гелия в гало, окружающем галактику GN-z11. В верхней части, в крайнем правом углу, маленькая рамка обозначает GN-z11 в поле галактик. В среднем блоке показано увеличенное изображение галактики. В крайнем левом окне показана карта газообразного гелия в гало GN-z11, включая сгусток, который не виден в инфракрасных цветах, показанных на средней панели. В нижней половине изображения спектр показывает отчетливый «отпечаток пальца» гелия в ореоле. Полный спектр не показывает никаких признаков присутствия других элементов и поэтому предполагает, что сгусток гелия должен быть довольно нетронутым, почти полностью состоящим из водорода и гелия, оставшихся после Большого взрыва, без значительного загрязнения более тяжелыми элементами, произведенными звездами. Теория и моделирование вблизи особенно массивных галактик этих эпох предсказывают, что в гало должны существовать карманы первозданного газа, которые могут коллапсировать и образовывать звездные скопления населения III. Авторы и права: НАСА, ЕКА, ККА, Ральф Кроуфорд (STScI), CC BY 4.0 INT или стандартная лицензия ЕКА.
Используя Уэбба, команда также обнаружила признаки присутствия ионизированных химических элементов, которые обычно наблюдаются вблизи аккрецирующих сверхмассивных черных дыр. Кроме того, они обнаружили, что галактика испускает очень мощный ветер. Такие высокоскоростные ветры обычно вызываются процессами, связанными с энергичной аккрецией сверхмассивных черных дыр.
«Камера ближнего инфракрасного диапазона Уэбба обнаружила расширенный компонент, отслеживающий родительскую галактику, и центральный компактный источник, цвета которого соответствуют цветам аккреционного диска, окружающего черную дыру», — сказала исследователь Ханна Юблер, также из Кавендишская лаборатория и Институт Кавли.
В совокупности эти данные показывают, что GN-z11 содержит сверхмассивную черную дыру массой два миллиона солнечных, находящуюся в очень активной фазе поглощения материи, поэтому она такая яркая.
Вторая группа, также возглавляемая Майолино, использовала NIRSpec Уэбба (спектрограф ближнего инфракрасного диапазона), чтобы найти газообразный сгусток гелия в ореоле, окружающем GN-z11.
На этом изображении поля GOODS-North, снятом камерой ближнего инфракрасного диапазона Уэбба (NIRCam), показаны стрелки компаса, масштабная линейка и цветовой ключ для справки. Стрелки компаса на север и восток показывают ориентацию изображения на небе. Обратите внимание, что соотношение между севером и востоком на небе (как видно снизу) перевернуто относительно стрелок направления на карте местности (как видно сверху). Масштабная линейка отмечена угловым расстоянием на небе, где одна угловая секунда равна одной 3600-й градуса. Масштабная линейка имеет длину 60 угловых секунд. На этом изображении показаны невидимые длины волн ближнего инфракрасного диапазона, которые были преобразованы в цвета видимого света. Цветной ключ показывает, какие фильтры NIRCam использовались при сборе света. Цвет имени каждого фильтра — это цвет видимого света, используемый для представления инфракрасного света, проходящего через этот фильтр. Авторы и права: НАСА, ЕКА, CSA, Б. Робертсон (Калифорнийский университет в Санта-Крузе), Б. Джонсон (CfA), С. Такчелла (Кембридж), М. Рике (Университет Аризоны), Д. Эйзенштейн (CfA), CC BY 4.0 Стандартная лицензия INT или ESA
«Тот факт, что мы не видим ничего, кроме гелия, предполагает, что этот комок должен быть довольно нетронутым», — сказал Роберто. «Это то, что ожидалось теорией и моделированием вблизи особенно массивных галактик этих эпох — что в гало должны выжить карманы чистого газа, и они могут коллапсировать и образовывать звездные скопления населения III».
Поиск до сих пор невиданных звезд населения III — первого поколения звезд, образовавшихся почти полностью из водорода и гелия — является одной из важнейших целей современной астрофизики. Ожидается, что эти звезды будут очень массивными, очень яркими и очень горячими. Их признаком было бы наличие ионизированного гелия и отсутствие химических элементов тяжелее гелия.
Формирование первых звезд и галактик знаменует собой фундаментальный сдвиг в космической истории, в ходе которого Вселенная превратилась из темного и относительно простого состояния в высокоструктурированную и сложную среду, которую мы видим сегодня.
В будущих наблюдениях Уэбба Роберто, Ханна и их команда будут более глубоко исследовать GN-z11 и надеются укрепить аргументы в пользу звезд населения III, которые могут формироваться в ее гало.
Исследование нетронутого газового сгустка в гало GN-z11 было принято к публикации в журнале Astronomy & Astrophysicals и в настоящее время доступно на сервере препринтов arXiv. Результаты исследования черной дыры GN-z11 были опубликованы в журнале Nature 17 января 2024 года.
Информация от: Европейским космическим агентством
