JWST звертає свій погляд на надмасивні чорні діри та галактики

Космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST) озирнувся в минуле, коли Всесвіт був у зародковому стані, і виявив чорні діри, маса яких уже містить сотні мільйонів Сонць. Це нове вікно в ранній Всесвіт, як повідомляється в чотирьох нових дослідженнях, демонструє вигляд, напрочуд схожий на той, який є ближчим до дому.

Звичайно, ми не бачимо безпосередньо надмасивні чорні діри. Це газ навколо них, який нагрівається і світиться, коли він обертається в пащі живильних чорних дір, відомих як квазари. Випромінюване світло є найяскравішим на довжинах хвиль ультрафіолетового випромінювання, але ці довжини хвиль розтягуються, коли вони проходять крізь Всесвіт, що розширюється, до Землі, поміщаючи світло далеких квазарів прямо в діапазон чутливих інфрачервоних можливостей JWST.

«Це веселий час для спільноти квазарів!» — вигукує Карл Гебхардт (Техаський університет в Остіні), який не брав участі в трьох дослідженнях. «Мені подобається дивитися та читати про дані JWST, які надходять щодо чорних дір у ранньому Всесвіті».

Чотири нові дослідження зосереджені на 11 квазарах, що датуються космічним світанком. Один із них, очолюваний Ребеккою Ларсон (Рочестерський технологічний інститут), повідомляє про найдальший відомий квазар — лише через 580 мільйонів років після Великого вибуху (з червоним зміщенням 8,7). Незважаючи на молодість Всесвіту, в якому живе цей квазар, він уже виріс до маси 9 мільйонів Сонця. Це дослідження, яке є частиною дослідження Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS), буде опубліковано в Astrophysical Journal Letters.

Вісім додаткових квазарів походять від програми ASPIRE (щось скорочено від «Спектроскопічний огляд зміщених гало в епоху реіонізації»), яка призначена для спостереження загалом 25 квазарів. Раніше астрономи виявили, що чорні діри, які живлять ці вісім квазарів, мають масу від 600 мільйонів до 3 мільярдів сонячних мас. (Для порівняння, центральна чорна діра нашої галактики має масу лише 4 мільйони сонць.) Більш точні вимірювання JWST підтверджують, що попередні вимірювання були приблизно правильними, хоча й трохи завищеними: новий діапазон мас зразка становить від 600 мільйонів до 2 мільярдів сонць. Цзіньї Янг (Стюардська обсерваторія) та його колеги повідомляють у журналі Astrophysical Journal Letters, що підтверджує існування чорних дір із мільярдами сонячних мас приблизно через 800 мільйонів років після Великого вибуху.

У третьому дослідженні в Astrophysical Journal Letters Фейге Ван (також з обсерваторії Стюарда) та його колеги виявили, що один із цих восьми квазарів є частиною набагато більшої космічної структури . Цей квазар і 10 інших галактик лежать уздовж нитки, яка вдвічі довша за її ширину. Кожна галактика наповнена новонародженими зірками, які виявляються завдяки характерній сигнатурі подвійно іонізованого кисню. Нитка розжарення гігантська, охоплює пару кутових хвилин на небі та мільйони світлових років у космосі.

Команда Вана стверджує, що ця структура насправді є скупченням галактик у процесі становлення. Але він попереджає, що оскільки протокластер все ще об’єднується, він набагато більший за своїх дорослих братів і сестер. «[Протокластери] все ще перебувають на ранніх стадіях своєї еволюції і ще не перетворилися на повністю сформовані кластери», — пояснює Ван. «Ці структури служать чудовими індикаторами великомасштабної надмірної щільності галактик або основної щільності темної матерії в ранньому Всесвіті».

Якою б випадковою не була ця знахідка, найбільше відкриття стало результатом четвертого дослідження, опублікованого в Nature. Сюхен Дін (Токійський університет) і його колеги спостерігали ще два квазари, які вперше були виявлені Hyper Suprime-Cam на телескопі Subaru на Мауна-Кеа, Гаваї.

Загалом, надмасивна чорна діра за своїм шаленим живленням перевершує всю її господарську галактику, особливо на таких екстремальних відстанях. Але камери JWST з орлиним оком дозволили астрономам роз’єднати ці дві системи. І ось тут астрономи виявили дещо несподіване.

Десятиліттями астрономи помічали, що квазари та їхні галактики ростуть разом. Це, незважаючи на те, що навіть надмасивні чорні діри не мають гравітаційного впливу, щоб впливати набагато більше, ніж їхнє безпосереднє оточення. Можливо, дехто теоретизував, що живильна чорна діра приводить в дію струмені, вітер або будь-яку іншу форму зворотного зв’язку, яка потім регулює як її власний ріст, так і зростання галактики-господаря, таким чином вони ростуть у тандемі. Якби це було так, тоді ми могли б очікувати, що галактики та чорні діри, які вони містять, будуть по-різному співвідноситися одна з одною протягом космічного часу, коли вони взаємодіють.

Проте команда Дінга виявила, що, принаймні, для двох досліджених ними квазарів співвідношення між масою чорної діри та масою галактичної зірки є саме таким, яке ми спостерігаємо у ближчих квазарів. (Цікаво, що нещодавно відкритий квазар CEERS також відповідає цьому відношенню, хоча він походить ще з більш ранніх часів.)

Гебхардт каже, що він здивований результатом. «Отримати зоряну масу справді важко, і моя початкова реакція, коли я прочитав анотацію, була скептичною», – додає він. «Але [дослідники] виконали чудову роботу».  

Цілком можливо, що надмасивні чорні діри в цих двох галактиках уже забезпечили зворотній зв’язок навіть у такий ранній час. Ці два квазари можуть бути навіть швидко еволюціонуючими викидами, які не є репрезентативними для еволюції більшості пар галактика–чорна діра. Хоча двох точок даних недостатньо, щоб зробити тверді висновки, існує ще багато ранніх квазарів, які чекають на спостереження JWST. Незабаром наше вікно на ранній стадії еволюції надмасивних чорних дір розшириться до повнішої картини. Джерело