В первый год работы Космический телескоп Джеймса Уэбба сделал несколько важных открытий. Они включали предоставление самых чётких изображений знаковых космических структур (таких как Столпы Творения). А также спектры атмосфер экзопланет и захватывающие дух виды Юпитера, его крупнейших спутников. Кроме того были сделаны снимки колец Сатурна, его крупнейшего спутника Титана и шлейфов Энцелада. Но Уэбб также сделал неожиданную находку в течение первого года наблюдений. Она может оказаться прорывом: серию маленьких красных точек в крошечной области ночного неба. Это квазары!
Эти маленькие красные точки наблюдались в рамках обзоров Уэбба EIGER и FRESCO. Согласно новому анализу международной группы астрофизиков, эти точки представляют собой ядра галактик. Они содержат предшественников сверхмассивных чёрных дыр (СМЧД), существовавших в ранней Вселенной. Существование этих чёрных дыр вскоре после Большого взрыва может изменить наше понимание того, как образовались первые сверхмассивные чёрные дыры в нашей Вселенной.
Исследование возглавил Йоррит Матти, доцент кафедры астрофизики Австрийского института науки и технологий. К нему присоединились исследователи из Института астрофизики и космических исследований Массачусетского технологического института Кавли, Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ). А также института Нильса Бора, Института астрономии Макса Планка (MPIA), Центра астробиологии (CAB), а также несколько университетов и обсерваторий. Их результаты были представлены в исследовании, недавно опубликованном в The Astrophysical Journal.
Необычные объекты
Учёным уже давно известно, что сверхмассивные чёрные дыры находятся в центрах большинства массивных галактик. И хотя некоторые из них дремлют, как СМЧД, расположенная в центре Млечного Пути (Стрелец А*), другие чрезвычайно активны. Последние растут со скоростью несколько солнечных масс в год. Эти быстрорастущие чёрные дыры питают особенно яркие активные ядра галактик (АЯГ). Известные как квазары – которые становятся настолько яркими, что временно затмевают все звёзды в своей галактике.
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, учитывая возраст Вселенной. Мы называем их проблемными квазарами. Если принять во внимание, что квазары возникают в результате взрывов массивных звёзд 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 всё 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, проведённых с помощью JWST. Кампания EIGER была специально разработана для поиска редких голубых сверхмассивных квазаров и наблюдения их окружения, а не квазаров в ранней Вселенной. Однако камера ближнего инфракрасного диапазона Уэбба (NIRCam) может регистрировать спектры излучения всех объектов известной Вселенной. Эти объекты ранее наблюдались “Хабблом” и были ошибочно приняты за обычные галактики.
Слишком большие чёрные дыры
Но благодаря использованию NIRCam команда под руководством ISTA почти случайно идентифицировала их как сверхмассивные чёрные 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 далёком прошлом Вселенной, являются небольшими версиями чрезвычайно массивных чёрных дыр. Эти особые объекты могут изменить наше представление о происхождении чёрных дыр. Нынешние открытия могут приблизить нас на один шаг к ответу на одну из величайших дилемм астрономии: согласно современным моделям, некоторые сверхмассивные чёрные дыры в ранней Вселенной просто выросли слишком быстро. Тогда как они образовались?”, – сказал Мэти.
Команда смогла провести различие между галактиками и небольшими квазарами благодаря обнаружению NIRCam тёмно-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 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”.
Проблемные квазары
Не менее важными были полученные ими значения красного смещения для этих СМЧД (Z=4,2–5,5), которые указывают 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 чёрные 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 солнечной, маленькие красные точки больше похожи на юные квазары. Их массы составляют от десяти до ста миллионов солнечных масс. Кроме того, они кажутся красными, потому что они пыльные. Пыль затемняет чёрные дыры и делает объекты красными”.
В конце концов, поток газообразного водорода прорвёт облака пыли и газа, которые окружают и затеняют массивные чёрные дыры (пылевой кокон), и эти меньшие сверхмассивные чёрные 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 чёрных дыр, что может привести к лучшему пониманию того, как возникают проблемные квазары.
Черные дыры и сверхмассивные чёрные дыры, возможно, самые интересные объекты во Вселенной. Трудно объяснить, почему они здесь, но они есть. Учёные надеются, что эта работа поможет им приоткрыть одну из самых больших завес тайн Вселенной.