Космический телескоп Джеймса Уэбба зафиксировал звездное сияние

Звезды больше не могут прятаться за светом, питающим сверхмассивные черные дыры в зарождающейся Вселенной. С помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) астрономы впервые увидели свет звезд от двух ранних галактик, в которых питаются сверхмассивные черные дыры или квазары.

Полученные результаты могут в конечном итоге помочь ученым лучше понять, как сверхмассивные черные дыры быстро вырастают до масс, эквивалентных миллионам или миллиардам солнц, и как они и галактики, в которых они находятся, развиваются рука об руку.

«25 лет назад нас поразило, что мы смогли наблюдать за родительскими галактиками 3 миллиарда лет назад, используя большие наземные телескопы», — сказал в своем заявлении член команды и исследователь института астрономии Макса Планка Кнуд Янке.

«Космический телескоп Хаббла позволил нам исследовать пиковую эпоху роста черных дыр 10 миллиардов лет назад. И теперь у нас есть доступ к JWST, чтобы увидеть галактики, в которых возникли первые сверхмассивные черные дыры».

Команда наблюдала за двумя из этих так называемых активных галактик, которые видны такими, какими они были, когда Вселенной возрастом 13,8 миллиарда лет было меньше одного миллиарда лет. Им удалось рассчитать как массу галактик, так и массу сверхмассивных черных дыр, питающих квазары, обозначенные как J2236+0032 и J2255+0251.

Свету от этих двух галактик потребовалось 12,9 и 12,8 миллиардов лет, чтобы достичь нас, таким образом, астрономы увидели их такими, какими они были через 870 и 880 миллионов лет после Большого взрыва соответственно.

Наблюдения показали, что масса галактик в 130 миллиардов и 30 миллиардов раз больше солнечной, а массы чудовищно питающихся черных дыр составляют 1,4 миллиарда солнечных масс для J2236+0032 и 200 миллионов солнечных масс для J2255+0251.

Это показало, что масса этих ранних галактик и их центральные черные дыры связаны таким же образом, как и в галактиках, наблюдаемых ближе к Млечному Пути и, следовательно, более поздних по времени.

Как сверхмассивные черные дыры растут вместе со своими галактиками?

Квазары — одни из самых экстремальных объектов во всей Вселенной. Приводимые в действие сверхмассивными черными дырами, окруженными газом и пылью, некоторые из которых аккрецируются в черную дыру, а некоторые выбрасываются со скоростью, приближающейся к скорости света, квазары излучают столько света, что часто могут затмить любую звезду в галактике, в которой находится их объединили.

Считается, что почти каждая галактика имеет в своем сердце сверхмассивную черную дыру, но не все из них являются квазарами. Например, сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути, Стрелец А* (Стрелец А*), потребляет так мало материи, что это эквивалентно тому, что человек съедает рисовое зернышко раз в миллион лет. Таким образом, его недостаточно для питания квазара.

Первый квазар был замечен в 1963 году, и с тех пор ученые разгадали процессы, которые приводят в действие их огромное излучение света. В 2000-х годах было обнаружено, что массы галактик и их сверхмассивных черных дыр связаны, при этом масса звезд в галактике примерно в 1000 раз превышает массу ее центральной черной дыры.

Соотношение между массами сверхмассивных черных дыр и их галактик сохраняется для галактик со сверхмассивными черными дырами с массой, в миллионы раз превышающей массу Солнца, и для галактик с центральными черными дырами, масса которых в миллиарды раз превышает массу нашей звезды.

Связь между массой галактик и массой их сверхмассивных черных дыр может быть связана с тем фактом, что и то, и другое растет через цепочку слияний между галактиками, что в конечном итоге приводит к яростным столкновениям черных дыр в сердце этих галактик друг с другом и создавая еще большую черную дыру.

Следовательно, после многочисленных слияний масса галактики будет примерно равна средней массе исходной галактики, умноженной на количество галактик, с которыми она слилась, а масса центральной черной дыры будет равна массе исходной черной дыры, умноженной на то же число. , что приводит к примерно линейной зависимости.

Другое предположение состоит в том, что когда сверхмассивная черная дыра питается достаточным количеством материала, чтобы стать квазаром, испускаемое ею излучение регулирует количество материала, доступного как для питания квазара, так и для формирования новых звезд. Таким образом, когда у квазара заканчивается пища и он перестает расти, звездообразование в этой галактике также замедляется.

Какова бы ни была причина этой взаимосвязи, астрономы до сих пор не могли определить, существует ли она для галактик и их сверхмассивных черных дыр в очень ранней Вселенной. Это связано с тем, что, хотя яркость квазаров позволяет изучать их на расстоянии в миллиарды световых лет, она также затрудняет наблюдение более тусклого звездного света от галактик, в которых находятся квазары.

Наземные телескопы изо всех сил пытаются отличить свет от квазаров и свет от звезд в своих галактиках из-за влияния атмосферы Земли. Находясь над атмосферой, космический телескоп Хаббл добился определенного успеха в обнаружении света от этих галактик, находящихся на расстоянии около 10 миллиардов световых лет.

Но чтобы сделать это для более далеких и ранних галактик, астрономам пришлось ждать самого мощного космического телескопа, когда-либо выведенного на орбиту, JWST. Квазары J2236+0032 и J2255+0251 наблюдались с помощью основного инструмента JWST, камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam), в течение 2 часов на двух разных длинах волн.

Команда взяла этот объединенный спектр света квазара и света звезд для обеих галактик, а затем разделила свет квазаров, чтобы впервые увидеть свет от ранних звезд в таких галактиках.

Примечательно, что наблюдения J2236+0032 и J2255+0251 и их галактик с помощью JWST показали, что соотношение между сверхмассивной черной дырой и массой галактики существует даже в ранней Вселенной. В настоящее время одних этих данных недостаточно, чтобы раскрыть происхождение этого соотношения масс и то, как сверхмассивные черные дыры вырастают до таких огромных размеров, но они послужат основой для будущих исследований.

Полученные данные представляют собой лишь часть наблюдений JWST за далекими квазарами, а мощный космический телескоп в настоящее время наблюдает еще за десятью из этих сверхмассивных объектов, питаемых черными дырами, и их галактик. Кроме того, на это конкретное исследование ранней Вселенной было выделено еще 11 часов наблюдения.