«Скат» во Вселенной: раскрыта тайна загадочных «красных точек»

Астрономы обнаружили интригующую систему из трех галактик, прозванную «Скатом» (The Stingray), которая существовала, когда возраст Вселенной составлял всего 1,1 миллиарда лет. Новый анализ этого небесного «морского создания» выявил объект, который может дать ключ к пониманию природы загадочных космических объектов, известных как «маленькие красные точки» (Little Red Dots, LRDs).

LRDs впервые наблюдались в 2022 году с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST). Изначально астрономы предположили, что эти компактные красные объекты, которые, кажется, пронизывают раннюю Вселенную, могут быть галактиками, содержащими активно питающиеся черные дыры, известные как активные ядра галактик (AGN). Альтернативные теории включают древние сверхмассивные звезды на грани коллапса и экзотические черные дыры-звезды.

В новом исследовании, опубликованном 9 марта в журнале Astronomy & Astrophysics, астрономы восстановили недавнюю историю звездообразования тройной системы «Скат». Они обнаружили, что взаимодействия между галактиками могли перевести AGN в необычное состояние, напоминающее переход в «маленькую красную точку» или выход из нее. Галактику, содержащую это необычное AGN, ученые назвали «переходной маленькой красной точкой» (transitional little red dot, tLRD).

«У нас есть все необходимые ингредиенты для такого перехода: вспышки звездообразования, вызванные взаимодействием галактик, AGN и галактика (tLRD), спектральные характеристики которой соответствуют почти всем критериям LRD», — рассказала Live Science по электронной почте ведущий автор исследования Роза Мария Мерида, астрофизик из Университета Святой Марии в Канаде.

Прозвище уникальной системы связано с ее внешним видом: на ранних изображениях она напоминала ската с телом, головой и хвостом. Однако последующий анализ показал, что «хвост» образован несвязанными далекими объектами, случайно выстроившимися в линию на снимке.

«Скат» состоит из трех галактик: массивной галактики с бальмеровским разрывом, которая эволюционирует более устойчиво, tLRD и галактики-спутника с меньшей массой, где активно идет звездообразование и которая, по-видимому, присоединилась к системе недавно.

Возвращаясь в прошлое

Из-за ограничений наблюдений исследователи не смогли точно определить, как сформировалась система из трех галактик. Вместо этого они предложили сценарий, основанный на косвенных данных. Они реконструировали историю звездообразования галактик, используя данные Канадского беспристрастного обзора скоплений NIRISS — одного из самых глубоких обзоров JWST на сегодняшний день.

Сравнивая эти истории между галактиками и учитывая относительные звездные массы, команда искала закономерности, которые могли указывать на прошлые взаимодействия. Например, если у нескольких галактик наблюдались изменения в звездообразовании в сходные временные промежутки, это может указывать на общее событие, такое как тесное сближение. Кроме того, галактики с меньшей массой и более слабой гравитацией более подвержены возмущениям, которые могут вызывать вспышки звездообразования.

Анализ команды показал, что около 100 миллионов лет назад галактика tLRD пережила вспышку звездообразования, вероятно, вызванную взаимодействием с соседней массивной галактикой с бальмеровским разрывом. Однако более массивная галактика осталась практически незатронутой и эволюционировала устойчиво. Позже, около 10 миллионов лет назад, меньшая галактика-спутник также испытала усиление звездообразования.

«Мы считаем, что это момент, когда галактика-спутник вошла в систему «Скат»», — отметила Мерида.

Примерно в то же время в tLRD наблюдалась некоторая активность, но не в галактике с бальмеровским разрывом. К этому этапу tLRD стала довольно массивной, что затрудняет объяснение такого поведения только гравитационными взаимодействиями. Это поднимает вопрос о том, что вызвало активность в tLRD, в то время как другая галактика почти не изменила свою историю звездообразования. Это говорит о том, что здесь могут действовать факторы, выходящие за рамки простых гравитационных взаимодействий.

Часть AGN, часть LRD

Исследователи предположили, что ответ может крыться в поведении центральной черной дыры. Мерида объяснила, что взаимодействия между галактиками могут вызывать вспышки звездообразования, но активация AGN может произойти позже. В этом сценарии более раннее столкновение сначала вызвало звездообразование, а затем, с некоторой задержкой, подпитло черную дыру в tLRD, переведя галактику в ее необычное состояние.

Активная черная дыра в tLRD демонстрирует спектральные характеристики AGN типа I, для которого характерно яркое и незатемненное ядро. Но она также компактна и ярка в ультрафиолете, отчасти напоминая «маленькую красную точку». Однако ей не хватает одного ключевого спектрального признака, который есть почти у всех наблюдаемых LRDs: V-образной особенности. Таким образом, этот объект выглядит как смесь обоих типов, но не полностью соответствует ни одному из них.

«Эта галактика находится стратегически между популяцией «маленьких красных точек» и компактными AGN типа I», — сказала Мерида. Таким образом, tLRD — это частично AGN и частично LRD, но неясно, входит ли она в фазу LRD или выходит из нее.

«Статья подтверждает идею о том, что по крайней мере некоторые «маленькие красные точки» являются эволюционными фазами, а не совершенно отдельным классом», — рассказал Live Science по электронной почте Девеш Нандал, постдокторант Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, не участвовавший в исследовании. «Система физически компактна, спектроскопически подтверждена, и авторы делают вывод об усиленном недавнем росте tLRD и галактики-спутника», что делает их интерпретацию, основанную на взаимодействии, правдоподобной. Однако, хотя взаимодействия галактик могут запускать или останавливать фазу LRD, они полностью не объясняют ни массу черной дыры, ни феномен LRD в целом, отметил Нандал.

Если эта переходная фаза очень короткая — менее 5 миллионов лет — шансы заметить галактику на этой стадии крайне малы, сказала Мерида. В этом случае tLRD может быть просто нормальным AGN. Но если переход длится дольше, астрономы должны обнаружить множество таких переходных объектов в текущих обзорах галактик. Это означает, что исследователям нужно сделать две вещи: тщательно искать дополнительные кандидаты в существующих данных и улучшить теоретические модели, чтобы предсказывать, как часто происходят такие переходы, и определять, как их четко идентифицировать.

Нандал добавил, что большая выборка таких «промежуточных» объектов и лучшее понимание того, сколько времени AGN проводит в активных и спокойных фазах, позволят более надежно установить новые результаты. Также важно четко различать, как черная дыра питается в настоящее время и как она изначально сформировалась. Например, черная дыра могла уже существовать как массивный «зародыш», возникший из сверхмассивной звезды или другого источника; в этом случае наблюдаемая нами LRD-подобная активность, вероятно, отражает более позднюю подпитку или затемнение пылью, а не формирование черной дыры с нуля.

Команда планирует провести последующие исследования «Ската» и других LRDs, найденных в Канадском беспристрастном обзоре скоплений NIRISS. Если этот переходный объект подтвердится, это поддержит идею о том, что «маленькие красные точки» — это не отдельный класс объектов, а временная фаза в эволюции системы черной дыры, поведение которой контролируется ее окружением.