Глубокое поле Хаббла и его преемник, Ультраглубокое поле Хаббла, показали нам, насколько велика наша Вселенная. и как он изобилует галактиками всех форм и размеров. Они сосредоточились на крошечных участках неба, которые казались пустыми, открывая присутствие бесчисленных галактик. Теперь астрономы используют сверхглубокое поле зрения Хаббла и последующие изображения, чтобы выявить наличие большого количества сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной.
Это шокирующий результат, поскольку, согласно теории, эти массивные объекты не были так распространены миллиарды лет назад.
Хаббл Ultra-Deep Field (HUDF) был выпущен в 2004 году и потребовал почти миллион секунд времени экспозиции на 400 витках телескопа. На протяжении многих лет один и тот же регион получал изображения на разных длинах волн, а также обновлялся и уточнялся другими способами.
Телескоп Хаббл несколько раз повторно фотографировал этот регион, и астрономы сравнили новые изображения со старыми изображениями и идентифицировали дополнительные сверхмассивные черные дыры с ранних дней существования Вселенной.
Результаты обобщены в статье под названием «Проблески космического рассвета: перепись самых молодых сверхмассивных черных дыр по фотометрической изменчивости»., «, который был опубликован в The Astrophysical Journal Letters. Мэтью Хейс, доцент кафедры астрономии Стокгольмского университета в Швеции, является ведущим автором.
Сверхмассивные черные дыры (СМЧД) находятся в центрах таких крупных галактик, как наша. Хотя сама дыра не видна, материал, засасываемый в нее, собирается в аккреционном диске. Когда этот материал нагревается, он излучает свет как активное галактическое ядро (АЯГ). Поскольку черные дыры питаются спорадически, в исходном HUDF была видна только часть из них. Повторно снимая одно и то же поле в разное время, Хаббл запечатлел дополнительные сверхмассивные черные дыры, которые изначально не были видны.
Наше понимание ранней Вселенной и ее эволюции, а также эволюции ее галактик зависит от нескольких факторов. Один из них — необходимость точного представления о количестве активных ядер галактик. Их может быть трудно обнаружить, и этот метод преодолевает некоторые из этих препятствий.
АЯГ может излучать рентгеновское, радио и другое излучение, но оно не всегда заметно. «Проблема этой области исследований заключается в том, что путем наблюдения трудно идентифицировать АЯГ в диапазоне светимости типичных галактик», — пишут авторы. «Это означает, что СМЧД, вероятно, будут недооценены, и большое их количество может остаться незамеченным среди видимого звездообразующего населения галактик с высокими z».
Авторский метод фотометрической изменчивости позволяет избежать этого. Поскольку АЯГ накапливают материал с разной скоростью, наблюдение за изменениями в выходе АЯГ — лучший способ определить их количество. «Здесь мы утверждаем, что фотометрическая изменчивость, возникающая из-за изменений скорости аккреции массы СМЧД, может стать совершенно независимым и дополнительным исследованием АЯГ», — пишут Хейс и его соавторы. «Мониторинг изменчивости выбирает АЯГ из данных изображения непосредственно на основе явлений, связанных с СМЧД, без каких-либо отклонений от предварительного фотометрического выбора (цвет, светимость, компактность и т. д.)».
В новой статье представлены предварительные результаты и сообщается об открытии восьми интересных целей, демонстрирующих изменчивость. Три из восьми, вероятно, являются сверхновыми, две имеют явное АЯГ на уровне z = 2-3, а три других, вероятно, являются АЯГ на красных смещениях выше 6.
Эти открытия важны, поскольку они влияют на наше понимание черных дыр, их формирования и места в истории Вселенной.
Астрономы понимают, как формируются черные дыры звездной массы. Они также полагают, что сверхмассивные черные дыры становятся такими массивными в результате слияния с другими черными дырами. Они даже добились прогресса в поиске черных дыр между ними, называемых черными дырами промежуточной массы (ЧДД).
Поскольку астрономы полагают, что сверхмассивные черные дыры образуются в результате слияний, их должно быть больше в современной Вселенной и сравнительно мало, если таковые имеются, в ранней Вселенной. Просто не было достаточно времени для достаточного количества слияний для образования малых и средних предприятий. Вот почему существуют альтернативные теории, объясняющие черные дыры в ранней Вселенной.
Астрономы подозревают, что в ранней Вселенной существовал другой тип звезд. Эти массивные первичные звезды могли образоваться только в условиях, преобладавших в ранней Вселенной. Они могли коллапсировать и стать массивными черными дырами.
Другая теория предполагает, что массивные газовые облака в ранней Вселенной могли коллапсировать прямо в черные дыры. Другая теория предполагает, что так называемые «первичные черные дыры» могли образоваться в первые секунды после Большого взрыва посредством чисто умозрительных механизмов.
Новые наблюдения должны помочь прояснить некоторые из этих идей.
«Механизм образования ранних черных дыр является важной частью загадки эволюции галактик», — сказал Хейс, ведущий автор исследования. «Вместе с моделями роста черных дыр расчеты эволюции галактик теперь могут быть поставлены на более физически обоснованную основу с точной схемой образования черных дыр из коллапса массивных звезд».
«Эти источники обеспечивают первоначальный ориентир для НСМБЧ в эпоху реионизации посредством фотометрической изменчивости», — поясняют авторы в своей статье. Они говорят, что источники, выявленные в их работе, указывают на самую большую популяцию черных дыр, когда-либо зарегистрированную для этих красных смещений. «Эта частота СМЧД также поразительно похожа на оценки, полученные НСМБЧ в локальной вселенной», — пишут авторы.
Некоторые теоретические модели предполагают, что в эпоху реионизации существовало большое количество АЯГ. JWST показывает нам, что это быть больше СМЧД и АЯГ, чем думали астрономы. Открывая дополнительные сверхмассивные черные дыры и АЯГ, это исследование способствует нашему пониманию черных дыр и эволюции Вселенной.
Но предстоит еще многое сделать. Исследователи полагают, что необходимо большее количество АЯГ на высоких красных смещениях, чтобы уменьшить неопределенности и усилить свои результаты. JWST может помочь в этом. «JWST необходим для ускорения обнаружения более слабого АЯГ посредством изменчивости», — объясняют авторы, добавляя, что для этого потребуются годы мониторинга с помощью космического телескопа.
Эта работа также подчеркивает постоянный вклад HST в астрономию. Возможно, она не такая мощная, как JWST, но она имеет многолетний опыт наблюдений и продолжает демонстрировать свою ценность как мощная обсерватория.
«Напротив, опыт HST в области глубокой визуализации в ближнем ИК-диапазоне насчитывает около 15 лет и обеспечивает отличную основу для мониторинга».
