Заглянув вглубь пространства и времени, две группы с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба NASA/ESA/CSA изучили исключительно яркую галактику GN-z11, которая существовала, когда нашей Вселенной, возраст которой составляет 13,8 миллиарда лет, было всего около 430 миллионов лет. Также изучая данные JWST, группа астрономов под руководством Лукаса Фуртака и Ади Зитрина из Университета Бен-Гуриона в Негеве также смогла определить массу сверхмассивной черной дыры. Приблизительно в 40 миллионов раз больше массы Солнца, она неожиданно массивна по сравнению с галактикой, в которой находится.
Выполняя свое обещание изменить наше понимание ранней Вселенной, космический телескоп Джеймса Уэбба исследует галактики начала времен. Одной из них является исключительно яркая галактика GN-z11. Первоначально обнаруженная космическим телескопом Хаббл NASA/ESA, она является одной из самых молодых и самых далеких галактик, когда-либо наблюдавшихся, и она также является одной из самых загадочных. Почему она такая яркая? Уэбб, похоже, нашел ответ, сообщает журнал Astronomy & Astrophysics.
Команда, изучающая GN-z11 вместе с Уэббом, нашла первое явное доказательство того, что в галактике находится центральная сверхмассивная черная дыра, которая быстро аккрецирует материю. Их открытие делает ее самой далекой активной сверхмассивной черной дырой, обнаруженной на сегодняшний день.
GN-z11 в поле GOODS-North
«Мы обнаружили чрезвычайно плотный газ, который распространен в окрестностях сверхмассивных черных дыр, аккрецирующих газ», — пояснил главный исследователь Роберто Майолино из Кавендишской лаборатории и Института космологии Кавли в Кембриджском университете в Великобритании. «Это были первые явные признаки того, что GN-z11 содержит черную дыру, поглощающую материю».
Используя Уэбб, команда также обнаружила признаки ионизированных химических элементов, которые обычно наблюдаются вблизи аккрецирующих сверхмассивных черных дыр. Кроме того, они обнаружили, что галактика выбрасывает очень мощный ветер. Такие высокоскоростные ветры обычно вызываются процессами, связанными с энергично аккрецирующими сверхмассивными черными дырами.
«NIRCam (камера ближнего инфракрасного диапазона) Уэбба обнаружила протяженный компонент, отслеживающий родительскую галактику, и центральный компактный источник, цвета которого соответствуют цветам аккреционного диска, окружающего черную дыру», — сказала исследователь Ханна Юблер, также из Кавендишской лаборатории и Института Кавли.
В совокупности эти данные показывают, что в GN-z11 находится сверхмассивная черная дыра массой в два миллиона солнечных масс, находящаяся в очень активной фазе поглощения материи, поэтому она такая яркая.
Спектр GN-z11
Вторая группа, также возглавляемая Майолино, использовала NIRSpec (спектрограф ближнего инфракрасного диапазона) Уэбба, чтобы обнаружить газообразный сгусток гелия в гало, окружающем GN-z11.
«Тот факт, что мы не видим ничего, кроме гелия, говорит о том, что этот сгусток должен быть довольно чистым», — сказал Роберто. «Это то, чего ожидали теория и моделирование в окрестностях особенно массивных галактик этих эпох — что в гало должны быть карманы чистого газа, которые могут коллапсировать и образовывать звездные скопления населения III».
Поиск до сих пор не наблюдавшихся звезд популяции III – первого поколения звезд, сформированных почти полностью из водорода и гелия – является одной из важнейших задач современной астрофизики. Ожидается, что эти звезды будут очень массивными, очень яркими и очень горячими. Их сигнатурой будет наличие ионизированного гелия и отсутствие химических элементов тяжелее гелия.
Образование первых звезд и галактик знаменует собой фундаментальный сдвиг в истории космоса, в ходе которого Вселенная превратилась из темного и относительно простого состояния в высокоструктурированную и сложную среду, которую мы наблюдаем сегодня.
В ходе будущих наблюдений Уэбба Роберто, Ханна и их команда более подробно изучат GN-z11 и надеются подтвердить наличие звезд популяции III, которые могут формироваться в его гало.
Название «Популяция III» возникло потому, что астрономы уже классифицировали звезды Млечного Пути как Популяцию I (звезды, подобные Солнцу, которые богаты более тяжелыми элементами) и Популяцию II (более старые звезды с низким содержанием тяжелых элементов, обнаруженные в балдже и гало Млечного Пути, а также в шаровых звездных скоплениях).
Сверхмассивная черная дыра в 40 миллионов раз массивнее Солнца и питает квазар, существовавший 700 миллионов лет после Большого взрыва. Используя космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), астрономы обнаружили «чрезвычайно красную» сверхмассивную черную дыру, растущую в темной ранней Вселенной, сообщает журнал Nature.
Красный оттенок сверхмассивной черной дыры, какой она была примерно через 700 миллионов лет после Большого взрыва, является результатом расширения Вселенной. Поскольку Вселенная расширяется во всех направлениях, свет, движущийся к нам, «смещается в красную сторону», и в этом случае смещенный в красную сторону свет указывает на плащ из густого газа и пыли, окутывающий черную дыру.
Художественное представление сверхмассивной черной дыры и ее мощного джета. Астрономы хотят узнать, как эти объекты достигли огромных масс в ранней Вселенной. NRAO/AUI/NSF
Изучая данные JWST, группа астрономов под руководством Лукаса Фуртака и Ади Зитрина из Университета Бен-Гуриона в Негеве также смогла определить массу сверхмассивной черной дыры. Приблизительно в 40 миллионов раз больше массы Солнца, она неожиданно массивна по сравнению с галактикой, в которой находится.
Команда также обнаружила, что сверхмассивная черная дыра, которая находится примерно в 12,9 миллиардах световых лет от Земли, стремительно поглощает газ и пыль вокруг себя. Другими словами, она растет.
«Мы были очень взволнованы, когда JWST начал отправлять свои первые данные. Мы сканировали данные, поступившие для программы UNCOVER, и три очень компактных, но ярко-красных объекта заметно выделялись и привлекли наше внимание», — сказал Фуртак в своем заявлении. «Их «красноточечный» вид сразу же заставил нас заподозрить, что это был объект, похожий на квазар».
Квазары создаются, когда огромные количества материи окружают сверхмассивные черные дыры, подобные этой. Эта материя образует диск газа и пыли, называемый аккреционным диском, который постепенно питает черную дыру. Огромное гравитационное воздействие черной дыры перемешивает эту материю, создавая высокие температуры и заставляя ее светиться.
Кроме того, материя, которая не попадает в сверхмассивную черную дыру, направляется к полюсам космического титана. Частицы в этих регионах ускоряются до скоростей, приближающихся к скорости света, в виде высококоллимированных струй. Поскольку эти релятивистские струи выбрасываются, извержения сопровождаются яркими электромагнитными излучениями.
На иллюстрации показана экстремально красная сверхмассивная черная дыра в ранней Вселенной. Роберт Ли
В результате этих явлений квазары, питаемые сверхмассивными черными дырами в активных ядрах галактик (АЯГ), часто становятся настолько яркими, что излучаемый ими свет часто затмевает совокупный свет каждой звезды в окружающей их галактике.
Огромное количество излучения, испускаемого вокруг этой сверхмассивной черной дыры, привело к тому, что в данных JWST она приняла вид небольшой точки.
«Анализ цветов объекта показал, что это не типичная галактика звездообразования. Это еще раз подтвердило гипотезу сверхмассивной черной дыры», — сказала в заявлении Рейчел Безансон из Питтсбургского университета и соруководитель программы UNCOVER. «Вместе с ее компактными размерами стало очевидно, что это, скорее всего, сверхмассивная черная дыра, хотя она все еще отличалась от других квазаров, обнаруженных в те ранние времена».
Ранний квазар не был бы виден даже мощным инфракрасным прибором JWST без небольшой помощи эффекта, предсказанного Альбертом Эйнштейном в 1915 году.
Общая теория относительности Эйнштейна предполагает, что объекты массы деформируют саму ткань пространства и времени, которые на самом деле объединены в единое целое, называемое «пространством-временем». Теория продолжает, что гравитация возникает в результате этой кривизны. Чем больше масса объекта, тем «экстремальнее» кривизна пространства-времени.
Таким образом, эта кривизна не только указывает планетам, как им двигаться вокруг звезд и вокруг центров своих родных галактик, но и изменяет пути света, исходящего от этих звезд.
Чем ближе к объекту массы движется свет, тем больше «искривляется» его путь. Различные пути света от одного фонового объекта могут, таким образом, быть искривлены передним планом или «линзирующим объектом» и изменить вид расположения фонового объекта. Иногда эффект может даже привести к тому, что фоновый объект появится в нескольких местах на одном и том же изображении неба. В других случаях свет от фонового объекта просто усиливается, и этот объект увеличивается. Это явление известно как «гравитационное линзирование».
В последнем случае JWST использовал галактическое скопление под названием Abell 2744 в качестве линзирующего тела переднего плана для усиления света от фоновых галактик, которые в противном случае были бы слишком далеки, чтобы их можно было увидеть. Это выявило чрезвычайно красный квазар, на котором они сосредоточились, изначально в форме трех красных точек.
На схеме показано, как свет от объекта заднего плана искривляется объектом переднего плана. NASA/ESA
«Мы использовали численную модель линзирования, которую мы построили для скопления галактик, чтобы определить, что три красные точки должны быть несколькими изображениями одного и того же фонового источника, наблюдаемыми, когда Вселенной было всего около 700 миллионов лет», — сказал Зитрин.
Дальнейший анализ фонового источника показал, что его свет, должно быть, исходил из компактной области.
«Весь свет этой галактики должен уместиться в крошечной области размером с современное звездное скопление. Гравитационное линзирование источника дало нам точные ограничения на размер», — сказала в своем заявлении участница группы и исследователь из Принстонского университета Дженни Грин. «Даже если упаковать все возможные звезды в такую маленькую область, черная дыра в итоге составит не менее 1% от общей массы системы».
Это открытие еще больше углубляет тайну того, как сверхмассивные черные дыры, которые могут быть в миллионы (или даже миллиарды) раз массивнее Солнца, выросли до таких огромных размеров в период зарождения Вселенной.
«В настоящее время обнаружено, что несколько других сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной демонстрируют похожее поведение, что приводит к некоторым интригующим взглядам на рост черной дыры и галактики-хозяина, а также на взаимодействие между ними, которое пока не совсем понятно», — сказал Грин.
JWST обнаружил множество «маленьких красных точек» с течением времени. Они также могут указывать на питание сверхмассивных черных дыр квазаров в ранней Вселенной, что может означать, что поразительная загадка роста черных дыр вскоре может быть решена.
«В каком-то смысле это астрофизический эквивалент проблемы курицы и яйца», — заключил Зитрин. «В настоящее время мы не знаем, что появилось раньше — галактика или черная дыра, насколько массивными были первые черные дыры и как они росли».