Квазар — это чрезвычайно яркое ядро галактики, в центре которой находится активная сверхмассивная черная дыра. Когда черная дыра втягивает в себя окружающий газ и пыль, она выбрасывает огромное количество энергии, что делает квазары одними из самых ярких объектов во Вселенной. Квазары были замечены уже через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, и до сих пор остается загадкой, как эти объекты могли стать такими яркими и массивными за столь короткий промежуток космического времени.
Ученые предполагали, что самые ранние квазары возникли из слишком плотных областей первозданной материи, которые также должны были породить множество мелких галактик в окружении квазаров. Но в новом исследовании, проведенном под руководством Массачусетского технологического института, астрономы обнаружили несколько древних квазаров, которые, как оказалось, были удивительно одиноки в ранней Вселенной.
Астрономы использовали космический телескоп NASA James Webb Space Telescope (JWST), чтобы заглянуть в прошлое, более чем на 13 миллиардов лет назад, и изучить космическое окружение пяти известных древних квазаров. Они обнаружили удивительное разнообразие в их окрестностях, или «квазарных полях». В то время как некоторые квазары находятся в очень переполненных полях с более чем 50 соседними галактиками, как и предсказывают все модели, остальные квазары, похоже, дрейфуют в пустотах, и в их окрестностях находится лишь несколько блуждающих галактик.
Эти одинокие квазары бросают вызов пониманию физиков о том, как такие светящиеся объекты могли сформироваться так рано во Вселенной, не имея значительного источника окружающей материи для подпитки роста их черных дыр.
«Вопреки прежним представлениям, мы обнаружили, что в среднем эти квазары не обязательно находятся в регионах ранней Вселенной с самой высокой плотностью. Некоторые из них, кажется, сидят посреди пустыни», - говорит Анна-Кристина Эйлерс, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института. «Трудно объяснить, как эти квазары могли вырасти такими большими, если кажется, что им не из чего питаться».
Есть вероятность, что эти квазары не так одиноки, как кажется, а окружены галактиками, которые сильно окутаны пылью и поэтому скрыты от глаз. Эйлерс и ее коллеги надеются настроить свои наблюдения таким образом, чтобы попытаться увидеть сквозь такую космическую пыль, чтобы понять, как квазары выросли такими большими и быстрыми в ранней Вселенной.
Эйлерс и ее коллеги сообщают о своих выводах в статье, опубликованной сегодня в Astrophysical Journal. Среди соавторов из Массачусетского технологического института - постдоки Рохан Найду и Мингао Юэ, Роберт Симкоу, профессор физики Фрэнсис Фридман и директор Института астрофизики и космических исследований имени Кавли Массачусетского технологического института, а также сотрудники Лейденского университета, Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, Высшей технической школы Цюриха и других институтов.
ГАЛАКТИЧЕСКИЕ СОСЕДИ
Пять недавно обнаруженных квазаров - одни из старейших квазаров, наблюдавшихся до сих пор. Возраст этих объектов превышает 13 миллиардов лет, и считается, что они образовались через 600-700 миллионов лет после Большого взрыва. Сверхмассивные черные дыры, из которых состоят квазары, в миллиард раз массивнее Солнца и более чем в триллион раз ярче. Благодаря их экстремальной яркости свет от каждого квазара способен преодолеть расстояние, равное возрасту Вселенной, и достичь высокочувствительных детекторов JWST уже сегодня.
«Это просто феноменально, что теперь у нас есть телескоп, который может так детально зафиксировать свет 13 миллиардов лет назад», - говорит Эйлерс. «Впервые JWST позволил нам взглянуть на окружение этих квазаров, на то, где они росли и какими были их соседи».
Команда проанализировала изображения пяти древних квазаров, сделанные JWST в период с августа 2022 по июнь 2023 года. Наблюдения за каждым квазаром состояли из нескольких «мозаичных» изображений, или частичных видов поля квазара, которые команда эффективно сшила вместе, чтобы получить полную картину окрестностей каждого квазара.
Телескоп также проводил измерения света в нескольких длинах волн в поле каждого квазара, которые команда затем обрабатывала, чтобы определить, является ли данный объект в поле светом от соседней галактики, и как далеко галактика находится от гораздо более яркого центрального квазара.
«Мы обнаружили, что единственное различие между этими пятью квазарами заключается в том, что их окружение выглядит совершенно по-разному», - говорит Эйлерс. «Например, вокруг одного квазара почти 50 галактик, а вокруг другого - всего две. При этом оба квазара находятся в пределах одного и того же размера, объема, яркости и времени Вселенной. Это было действительно удивительно видеть».
СКАЧКИ РОСТА
Несоответствие полей квазаров вносит изюминку в стандартную картину роста черных дыр и формирования галактик. Согласно наилучшему пониманию физиков о том, как возникли первые объекты во Вселенной, космическая паутина из темной материи должна была задать курс. Темная материя — это пока неизвестная форма материи, которая не имеет других взаимодействий с окружающей средой, кроме гравитации.
Считается, что вскоре после Большого взрыва в ранней Вселенной образовались нити темной материи, которые действовали как своего рода гравитационная дорога, притягивая к себе газ и пыль. В слишком плотных областях этой паутины материя накапливалась, образуя более массивные объекты. А самые яркие и массивные ранние объекты, такие как квазары, должны были сформироваться в регионах с самой высокой плотностью, которые также породили бы множество других, более мелких галактик.
«Космическая паутина темной материи — это надежное предсказание нашей космологической модели Вселенной, и ее можно подробно описать с помощью численного моделирования», - говорит соавтор исследования Элиа Пиццати, аспирант Лейденского университета. «Сравнивая наши наблюдения с этими симуляциями, мы можем определить, где в космической паутине находятся квазары».
По оценкам ученых, квазары должны были непрерывно расти с очень высокой скоростью аккреции, чтобы достичь экстремальной массы и светимости в то время, когда астрономы их наблюдали, - менее чем через 1 миллиард лет после Большого взрыва.
«Главный вопрос, на который мы пытаемся ответить, - как эти черные дыры с массой в миллиард солнечных батарей образовались в то время, когда Вселенная еще очень, очень молода? Она все еще находится в зачаточном состоянии», - говорит Эйлерс.
Результаты работы команды могут вызвать больше вопросов, чем ответов. Одинокие» квазары, похоже, живут в относительно пустых областях пространства. Если космологические модели физиков верны, эти бесплодные области означают, что в них очень мало темной материи, исходного материала для создания звезд и галактик. Как же тогда появились чрезвычайно яркие и массивные квазары?
«Наши результаты показывают, что до сих пор не раскрыта значительная часть головоломки, как растут эти сверхмассивные черные дыры», - говорит Эйлерс. «Если некоторым квазарам не хватает материала для постоянного роста, значит, должен существовать какой-то другой способ их роста, который нам еще предстоит выяснить».