Астрономы обнаружили древние квазары, которые существуют в космосе в одиночестве. Эти объекты находятся в ранней Вселенной, и их происхождение остаётся загадкой.
Квазары — это яркие ядра галактик, в центре которых находятся сверхмассивные чёрные дыры. Когда чёрная дыра поглощает окружающий её газ и пыль, она выделяет огромное количество энергии, что делает квазары одними из самых ярких объектов во Вселенной.
Учёные предполагают, что самые ранние квазары возникли из плотных областей первичной материи, которая также породила множество более мелких галактик в их окрестностях. Однако новое исследование, проведённое под руководством Массачусетского технологического института, показало, что некоторые древние квазары находятся в ранней Вселенной в одиночестве.
Для изучения этих объектов учёные использовали космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST). Они исследовали окружающее пространство пяти известных древних квазаров, и обнаружили, что в их окрестностях есть существенные отличия друг от друга. Некоторые квазары находятся в плотных полях с более чем 50 соседними галактиками, как и предсказывают современные модели. Другие же, по-видимому, находятся в пустотах, и в их окрестностях есть лишь несколько случайных галактик.
Эти одинокие квазары ставят перед физиками вопрос о том, как такие яркие объекты могли сформироваться на ранних этапах развития Вселенной без значимого источника материи, который мог бы подпитывать рост их чёрных дыр.
«Вопреки предыдущим представлениям, мы обнаружили, что в среднем эти квазары не находятся в областях с самой высокой плотностью в ранней Вселенной. Некоторые из них, если можно так сказать, располагаются в глуши», — говорит Анна-Кристина Эйлерс, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института. — «Трудно объяснить, как эти квазары могли вырасти такими большими, если им, как видно из нашего исследования, совершенно нечем питаться».
Есть вероятность, что эти квазары не так одиноки, как кажется. Возможно, они окружены галактиками, которые плотно окутаны пылью и поэтому скрыты от наших приборов. Эйлерс и её коллеги надеются скорректировать свои наблюдения, чтобы попытаться заглянуть сквозь космическую пыль и понять, как квазары так быстро росли в ранней Вселенной.
Недавно обнаруженные пять квазаров принадлежат к числу древнейших известных объектов данного типа. Предполагается, что они образовались около 600–700 миллионов лет после Большого взрыва, их возраст превышает 13 миллиардов лет.
Эти сверхмассивные черные дыры имеют массу, превышающую солнечную в миллиарды раз, а их светимость в триллионы раз ярче Солнца. Их излучение настолько мощное, что способно распространяться по всей Вселенной.
«Это удивительно, что с помощью телескопа мы можем столь детально наблюдать излучение, возникшее 13 миллиардов лет назад, — отмечает Эйлерс. — Телескоп JWST впервые позволил нам увидеть области этих квазаров, понять, где они формировались и что их окружало».
Команда ученых проанализировала снимки этих пяти древних квазаров, сделанные с помощью телескопа JWST с августа 2022 года по июнь 2023 года. Для каждого квазара было создано несколько «мозаичных» изображений, которые затем объединили для получения полной картины окружающего их пространства.
Телескоп также исследовал свет потенциально близких к ним объектов на разных длинах волн. Данные были обработаны для определения того, является ли объект поблизости светом от соседней галактики и насколько она удалена от центрального, более яркого квазара.
«Мы обнаружили, что основное различие между этими квазарами заключается в их окружении, — объясняет Эйлерс. — Например, один квазар окружен примерно 50 галактиками, тогда как у другого их всего две. При этом оба объекта имеют схожие размеры, яркость и находятся на одинаковом этапе эволюции Вселенной».
Эти различия в окрестностях квазаров изменяют наши представления о процессе формирования чёрных дыр и галактик. По современным теориям, развитие космических структур было обусловлено «космической паутиной» тёмной материи.
Тёмная материя — это неизвестная форма вещества, взаимодействующая с окружающей средой исключительно через гравитацию. Считается, что вскоре после Большого взрыва в ранней Вселенной появились нити тёмной материи, которые притягивали газ и пыль. В местах с наибольшей плотностью материи возникали массивные объекты. Самые яркие и массивные объекты, такие как квазары, формировались именно в этих областях, где также появлялись более мелкие галактики.
«Космическая паутина тёмной материи — это основа нашей космологической модели, — добавляет Элия Пиццати из Лейденского университета. — Сравнивая наши наблюдения с компьютерным моделированием, мы можем понять, где в этой сети находятся квазары».
Ученые полагают, что квазары росли, поглощая окружающее вещество, и таким образом смогли достичь столь огромной массы и яркости менее чем за миллиард лет после Большого взрыва.
«Наш основной вопрос: как в молодой Вселенной могли образоваться черные дыры массой в миллиарды солнечных? — спрашивает Эйлерс. — Ведь в то время Вселенная была ещё на стадии формирования».
Результаты исследования порождают больше вопросов, чем ответов. Некоторые квазары находятся в относительно пустых частях космоса. Если космологические модели верны, там должно быть мало тёмной материи и материала для формирования галактик. Как же тогда появились эти объекты?
«Наши данные говорят о том, что мы до сих пор не знаем всех деталей процесса роста сверхмассивных чёрных дыр, — заключает Эйлерс. — Если рядом нет достаточно материи для их роста, значит, должен быть иной механизм, который нам еще предстоит открыть».
