Ученые впервые увидели свет древнейших галактик, родившихся через миллиард лет после Большого Взрыва
Само собой разумеется, что вокруг активных сверхмассивных черных дыр, известных как квазары, могут быть галактики. Но, из-за колоссальных расстояний, любой звездный свет внутри них ранее было невозможно обнаружить телескопами с Земли. Это заставило астрономов задаться вопросом, как такие чудовищные объекты смогли сформироваться и вырасти за такой короткий (по космическим меркам) промежуток времени?
Теперь, с объединенными данными телескопа Субару на Гавайях и космического телескопа Джеймса Уэбба, большая международная команда ученых смогла исследовать две галактики-квазара в ранней Вселенной, чтобы узнать больше об этом загадочном периоде в истории всего сущего. Исследованием руководили астрофизики Сюхэн Дин и Джон Сильверман из Института физики и математики Вселенной Кавли (Kavli IPMU) в Японии и Масафуса Оноуэ из Института астрономии и астрофизики Кавли в Китае.
«Мы первый раз видим галактики-хозяева из столь раннего возраста Вселенной. Это стало возможно только благодаря глубоким изображениям JWST, которые позволяют нам моделировать и вычитать свет от квазара, чтобы выявить галактику-хозяина», — объяснил астроном Чиен-Сю Ли из обсерватории В. М. Кека.
«Мы видели квазары этого возраста и раньше, но они были настолько яркими, что невозможно было вычесть их свет, чтобы обнаружить родительскую галактику», — добавил он.
Ярчайшие объекты в космосе
Сами черные дыры не излучают никакого света, который мы можем обнаружить в настоящее время. Собственно, они этим и славятся.
Но активная черная дыра (то есть та, которая активно поглощает материю) — это отдельный разговор. Вещество вращается вокруг черной дыры, нагреваясь до миллионов градусов за счет трения и гравитации, поэтому оно ярко светится во всем электромагнитном спектре.
В квазаре крутится так много материала, что он сияет через эоны пространства-времени. Поэтому мы можем видеть их сияние в Космической Заре, периоде, охватывающем первый миллиард лет после Большого Взрыва. Даже там они все еще относительно слабые; вы никогда не увидите квазар Космического Рассвета невооруженным глазом или в телескоп на заднем дворе, но в последние годы более мощные кластеры телескопов обнаруживают их во все большем количестве.
Это поднимает самые разные вопросы, например: как сверхмассивные черные дыры успели вырасти такими большими, если после Большого взрыва прошло слишком мало времени? Какова их галактическая среда? Мы все еще немного теряемся в ответе на первый вопрос, но наконец-то получаем ответы на второй.
Древние черные дыры
Две рассматриваемые галактики-квазары называются HSC J2236+0032 и HSC J2255+0251, и мы наблюдаем их примерно через 860 миллионов лет после Большого взрыва. Они были обнаружены в ходе исследования, проведенного с использованием Subaru, и JWST был вызван для их более подробного изучения.
Сверхмассивные черные дыры в центрах этих двух галактик-квазаров в 1,4 миллиарда и 200 миллионов раз больше массы Солнца соответственно. Это позволяет накладывать ограничения на количество света, генерируемого активностью черной дыры, поскольку существует предел скорости, с которой черная дыра может питаться.
Исследователи вычли этот свет из наблюдений JWST, в результате чего остался свет, генерируемый родительскими галактиками: мерцание их собственных звезд.
Более того, свет галактик позволил исследователям рассчитать массы галактик — 130 миллиардов и 30 миллиардов солнечных масс соответственно.
Это важно, потому что это говорит нам то, чего мы не знали о ранних галактиках Вселенной. Массы сверхмассивных черных дыр и их галактик в соседней Вселенной связаны между собой. Зная массу черной дыры, можно предсказать массу галактики вокруг нее, и наоборот, даже для маленьких галактик.
Ученые не уверены, почему это происходит: может, это особое свойство черной дыры, которое ограничивает рост галактик после определенной точки; а может, галактики и сверхмассивные черные дыры растут вместе. Обнаружение черных дыр в ранней Вселенной может дать нам некоторые необходимые подсказки для решения данного вопроса.
J2236+0032 и J2255+0251 оба соответствовали соотношению масс между сверхмассивной черной дырой и ее галактикой. Это говорит о том, что данная взаимосвязь уже существовала, когда родились первые сверхмассивные черные дыры. И это дает астрономам новые данные для моделирования ранней эволюции Вселенной, чтобы понять, как она развивалось во время Космического Рассвета.
Верно ли это правило для всех галактик ранней Вселенной, еще предстоит выяснить. Две галактики — это не очень большая выборка, поэтому исследователи вернутся к вопросу, когда у них будет больше данных. Они забронировали больше времени для наблюдений с JWST и надеются узнать дополнительные подробности о том, как образовались первые галактики.
«Текущие наблюдения JWST дадут нам значительно большую выборку, — пишут они в своей статье, — что позволит нам лучше ограничить модели взаимной эволюции черных дыр и звездных популяций в галактиках».