Раскрытие тайн ранней Вселенной — одно из главных направлений деятельности JWST. Поиск и исследование некоторых из первых галактик — важная часть его работы. Одна из первых галактик Вселенной необычайно ярка, и исследователи задаются вопросом, почему. Похоже, JWST нашел ответ.
Рассматриваемая галактика называется GN-z11, и она существовала, когда Вселенной было менее полумиллиарда лет. Впервые «Хаббл» заметил его в 2016 году с помощью космического телескопа «Спитцер». В то время это была самая далекая и древняя галактика, когда-либо обнаруженная. В статье, объявляющей об открытии, авторы написали: «GN-z11 яркая и молодая, но умеренно массивная, что подразумевает быстрое наращивание звездной массы в прошлом».
Они также написали, что «установки будущего смогут найти прародителей таких галактик с более высоким красным смещением и исследовать космическую эпоху в начале реионизации». Теперь, когда JWST глубоко погрузился в свою миссию, мы находимся именно там. Также было внимательно рассмотрено GN-z11.
Первооткрыватели предположили, что высокая светимость галактики может быть вызвана активным галактическим ядром (АЯГ), но не были уверены. Новое исследование, основанное на наблюдениях JWST, показывает, что они были правы. Похоже, что светимость галактики исходит от сверхмассивной черной дыры (СМЧД) в центре галактики, освещающей ее, поскольку она активно аккрецирует материю. Одним из характерных признаков является газовый сгусток возле СМЧД.
«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 Великобритании. «Это были первые явные признаки того, что в GN-z11 находится черная дыра, поглощающая материю».
Ученым известно, что область вблизи сверхмассивной черной дыры чрезвычайно горячая и что рядом с ней образуются газовые сгустки. Мощная гравитация дыры создает рядом с ней вращающийся аккреционный диск материала, и материал в диске может ускоряться до релятивистских скоростей. На этих скоростях молекулы сталкиваются и создают трение. Это генерирует тепло, которое может достигать температуры в миллионы градусов. Чрезвычайная жара выталкивает газ наружу на чрезвычайно высоких скоростях, но она также может заставить газ образовывать плотные комки, подобные тем, которые JWST обнаружил на GN-z11.
Сгустку не хватает металличности, поэтому он, вероятно, имеет первичную природу и не загрязнен более тяжелыми элементами, которые только позже будут созданы последовательными поколениями звезд.
Мы никогда не видели первых звезд Вселенной, звезд Населения III. Но как самые первые звезды они образовались из водорода и гелия — всего, что было доступно в то время. Поиск этих первых звезд — важная цель астрономии, поэтому важно найти такие же нетронутые скопления. Газовые сгустки, обнаруженные JWST, также состоят только из водорода и гелия, поэтому они могут быть предшественниками формирования звезд населения III.
«Тот факт, что мы не видим ничего, кроме гелия, предполагает, что этот комок должен быть довольно нетронутым», — сказал Майолино. «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».
Еще два доказательства подтверждают гипотезу черной дыры. Аккрецирующие черные дыры производят ионизированные химические элементы, и JWST обнаружил доказательства этого. Мощный космический телескоп также обнаружил сильный ветер со скоростью от 800 до 1000 км/с.-1 вблизи черной дыры — еще один результат процессов, связанных с активной аккрецией черных дыр. (Некоторые редкие галактики со звездообразованием также могут создавать мощные ветры, но они демонстрируют меньшую ионизацию.)
«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.
Кажется, нет особых сомнений в том, что GN-z11 имеет черную дыру и аккреционный диск в центре. Но тот факт, что чрезвычайная яркость этой галактики обусловлена черной дырой, поднимает интересные вопросы. Это связано с семенами черных дыр и скоростью Эддингтона.
Ученые полагают, что черные дыры в ранней Вселенной могли образоваться иначе, чем черные дыры звездной массы, которые образуются, когда звезда коллапсирует под действием собственной гравитации. Вместо этого эти древние черные дыры сформировались из семян, скоплений материи, достаточно массивных, чтобы коллапсировать прямо в черные дыры. Могут быть большие, промежуточные и маленькие семена черной дыры. Исследователи, стоящие за этими результатами, пишут, что черная дыра «… аккрецирует примерно в пять раз быстрее, чем скорость Эддингтона. Эти свойства согласуются как со сценариями с тяжелыми семенами, так и со сценариями, учитывающими промежуточные и легкие семена, переживающие эпизодические фазы супер-Эддингтона».
Скорость Эддингтона — это скорость, с которой черная дыра должна аккумулировать материю, чтобы достичь предела Эддингтона. Предел Эддингтона — это максимальная яркость, которую может достичь объект, когда его внешняя сила излучения равна внутренней силе гравитации.
Но черные дыры могут превысить предел Эддингтона во время суперэддингтоновских эпизодов. Эти эпизоды могут объяснить быстрое формирование сверхмассивных черных дыр (СМЧД) в первый миллиард лет существования Вселенной. Эпизоды Супер-Эддингтона связаны с радиационно неэффективной аккрецией и часто сопровождаются мощными исходящими ветрами и струями.
Если исследователи правы, то они разгадали тайну этой чрезвычайно древней и чрезвычайно яркой галактики. «Наше открытие объясняет высокую светимость GN-z11…», — пишут авторы.
Примечание. Исследование нетронутого газового сгустка в гало GN-z11 было принято к публикации в журнале Astronomy & Astrophysicals. Результаты исследования черной дыры GN-z11 были опубликованы в журнале Nature 17 января 2024 года.
