Наблюдения JWST выявили зрелый квазар на космической заре

Космический телескоп Джеймса Уэбба наблюдал галактику на особенно молодой стадии Вселенной. Оглядываясь назад в прошлое, стало ясно, что свету из галактики под названием J1120+0641 потребовалось почти столько же времени, чтобы достичь Земли, сколько потребовалось Вселенной, чтобы развиться до наших дней. Необъяснимо, как черная дыра в ее центре могла тогда весить более миллиарда солнечных масс, как показали независимые измерения. Выводы опубликовано в журнале Природа Астрономия.

Предполагалось, что недавние наблюдения материала в непосредственной близости от черной дыры выявили особенно эффективный механизм питания, но ничего особенного не обнаружили. Этот результат тем более необычен: он может означать, что астрофизики понимают в развитии галактик меньше, чем они думали. И все же они ни в коем случае не разочаровывают.

Первый миллиард лет космической истории представляет собой проблему: самые ранние известные черные дыры в центрах галактик имеют удивительно большие массы. Как они стали такими массивными и так быстро? Новые наблюдения, описанные здесь, предоставляют убедительные доказательства против некоторых предложенных объяснений, в частности, против «сверхэффективного режима питания» самых ранних черных дыр.

Пределы роста сверхмассивных черных дыр

Звезды и галактики сильно изменились за последние 13,8 миллиардов лет — за время существования Вселенной. Галактики стали больше и приобрели большую массу либо за счет поглощения окружающего газа, либо (иногда) за счет слияния друг с другом. Долгое время астрономы предполагали, что сверхмассивные черные дыры в центрах галактик должны были постепенно расти вместе с самими галактиками.

Но рост черной дыры не может быть сколь угодно быстрым. Материя, падающая на черную дыру, образует вращающийся, горячий и яркий «аккреционный диск». Когда это происходит вокруг сверхмассивной черной дыры, в результате образуется активное ядро ​​галактики. Ярчайшие такие объекты, известные как квазары, входят в число самых ярких астрономических объектов во всем космосе. Но эта яркость ограничивает количество материи, которая может упасть на черную дыру: свет оказывает давление, которое может препятствовать падению дополнительной материи.

Как черные дыры стали такими массивными и так быстро?

Вот почему астрономы были удивлены, когда за последние двадцать лет наблюдения за далекими квазарами выявили очень молодые черные дыры, которые, тем не менее, достигли массы, достигающей 10 миллиардов солнечных масс. Свету требуется время, чтобы добраться от удаленного объекта до нас, поэтому смотреть на далекие объекты — значит заглядывать в далекое прошлое. Мы видим самые далекие из известных квазаров такими, какими они были в эпоху, известную как «космический рассвет», менее чем через миллиард лет после Большого взрыва, когда образовались первые звезды и галактики.

Объяснение этих ранних массивных черных дыр является серьезной проблемой для современных моделей эволюции галактик. Могло ли быть так, что ранние черные дыры были гораздо более эффективными в аккумулировании газа, чем их современные аналоги? Или же присутствие пыли могло повлиять на оценки массы квазаров таким образом, что исследователи переоценили массы ранних черных дыр? В настоящее время предлагается множество объяснений, но ни одно из них не получило широкого признания.

Более пристальный взгляд на ранний рост черной дыры

Чтобы решить, какое из объяснений верно, требуется более полная картина квазаров, чем была доступна раньше. С появлением космического телескопа JWST, в частности прибора среднего инфракрасного диапазона MIRI, способность астрономов изучать далекие квазары совершила гигантский скачок. Для измерения спектров далеких квазаров MIRI в 4000 раз более чувствителен, чем любой предыдущий инструмент.

Такие инструменты, как MIRI, создаются международными консорциумами, в которых ученые, инженеры и техники работают в тесном сотрудничестве. Естественно, консорциум очень заинтересован в проверке того, работает ли их инструмент так, как планировалось.

В обмен на создание инструмента консорциумам обычно предоставляется определенное время для наблюдения. В 2019 году, за несколько лет до запуска JWST, Европейский консорциум MIRI решил использовать часть этого времени для наблюдения за самым далеким из известных на тот момент квазаром — объектом, имеющим обозначение J1120+0641.

Наблюдение одной из самых ранних черных дыр

Анализ наблюдений выпал на долю доктора Сары Босман, научного сотрудника Института астрономии Макса Планка (MPIA) и члена европейского консорциума MIRI. Вклад MPIA в инструмент MIRI включает создание ряда ключевых внутренних частей. Босмана попросили присоединиться к сотрудничеству MIRI специально для того, чтобы поделиться опытом о том, как лучше всего использовать инструмент для изучения ранней Вселенной, в частности первых сверхмассивных черных дыр.

Наблюдения проводились в январе 2023 года, во время первого цикла наблюдений JWST, и продолжались около двух с половиной часов. Они представляют собой первое исследование квазара в среднем инфракрасном диапазоне в период космического рассвета, всего через 770 миллионов лет после Большого взрыва (красное смещение z=7). Информация исходит не из изображения, а из спектра: радужного разложения света объекта на компоненты с разными длинами волн.

Отслеживание пыли и быстродвижущегося газа

Общая форма среднего инфракрасного спектра («континуум») кодирует свойства большого тора пыли, окружающего аккреционный диск типичных квазаров. Этот тор помогает направлять материю на аккреционный диск, «питая» черную дыру.

Плохая новость для тех, чье предпочтительное решение проблемы массивных ранних черных дыр заключается в альтернативных быстрых способах роста: тор и, как следствие, механизм питания в этом очень раннем квазаре, похоже, такие же, как и в его более современных аналогах. Единственное отличие состоит в том, что ни одна модель быстрого роста ранних квазаров не предсказала: несколько более высокая температура пыли, примерно на сто Кельвинов выше, чем 1300 К, обнаруженная для самой горячей пыли в менее удаленных квазарах.

Коротковолновая часть спектра, в которой преобладают излучения самого аккреционного диска, показывает, что для нас, далеких наблюдателей, свет квазара не затемняется пылью, которая больше, чем обычно. Аргументы о том, что, возможно, мы просто переоцениваем массы ранних черных дыр из-за дополнительной пыли, также не являются решением.

Ранние квазары «шокирующе нормальны»

Область широкой линии квазара, где сгустки газа вращаются вокруг черной дыры со скоростями, близкими к скорости света, что позволяет сделать выводы о массе черной дыры, а также плотности и ионизации окружающего вещества, также выглядит нормально. Практически по всем свойствам, которые можно вывести из спектра, J1120+0641 ничем не отличается от квазаров более поздних времен.

«В целом, новые наблюдения только усугубляют загадку: ранние квазары были шокирующе нормальными. Независимо от того, на каких длинах волн мы их наблюдаем, квазары почти идентичны во все эпохи существования Вселенной», — говорит Босман. Не только сами сверхмассивные черные дыры, но и механизмы их питания, очевидно, были уже полностью «зрелыми», когда возраст Вселенной составлял всего лишь 5% от ее нынешнего возраста.

Исключая ряд альтернативных решений, результаты убедительно подтверждают идею о том, что сверхмассивные черные дыры с самого начала имели значительные массы, на жаргоне астрономов: что они «первородные» или «зародыши большие». Сверхмассивные черные дыры образовались не из остатков ранних звезд, а затем очень быстро стали массивными. Они, должно быть, сформировались рано с начальной массой не менее ста тысяч солнечных масс, предположительно в результате коллапса массивных ранних облаков газа.