Квазар — це надзвичайно яскраве ядро галактики, у центрі якого знаходиться активна надмасивна чорна діра. Коли чорна діра втягує навколишній газ і пил, вона викидає величезну кількість енергії, що робить квазари одними з найяскравіших об’єктів у Всесвіті. Квазари спостерігали вже через кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху, і залишається загадкою, як ці об’єкти могли стати такими яскравими та масивними за такий короткий космічний час.
Вчені припустили, що найдавніші квазари виникли з надто щільних областей первісної матерії, яка також могла б створити багато менших галактик у середовищі квазарів. Але в новому дослідженні під керівництвом Массачусетського технологічного інституту астрономи спостерігали деякі стародавні квазари, які, здається, на диво були самотніми в ранньому Всесвіті.
Астрономи використовували космічний телескоп НАСА Джеймса Вебба (JWST), щоб заглянути в минуле, більш ніж на 13 мільярдів років, щоб вивчити космічне оточення п’яти відомих стародавніх квазарів. Вони виявили дивовижне різноманіття у своїх околицях, або «квазарні поля». У той час як деякі квазари знаходяться в дуже скупчених областях з більш ніж 50 сусідніми галактиками, як передбачають усі моделі, решта квазарів, здається, дрейфують у пустотах, лише з кількома блукаючими галактиками поблизу них.
Ці самотні квазари ставлять під сумнів розуміння фізиків того, як такі сяючі об’єкти могли сформуватися на такій ранній стадії у Всесвіті без істотного джерела навколишньої матерії, яке б стимулювало зростання їхньої чорної діри.
«Всупереч попереднім переконанням, ми виявляємо, що в середньому ці квазари не обов’язково знаходяться в областях раннього Всесвіту з найвищою щільністю. Деякі з них, здається, сидять посеред нічого», — каже Анна-Крістіна Ейлерс, доцент кафедри фізики в MIT. «Важко пояснити, як ці квазари могли вирости настільки великими, якщо здається, що їм нема чим харчуватися».
Існує ймовірність того, що ці квазари не такі поодинокі, як здаються, а оточені галактиками, які сильно оповиті пилом і тому приховані від очей. Ейлерс та її колеги сподіваються налаштувати свої спостереження, щоб спробувати побачити крізь такий космічний пил, щоб зрозуміти, як квазари виросли настільки великими, так швидко, у ранньому Всесвіті.
Ейлерс та її колеги повідомляють про свої відкриття в статті, опублікованій в The Astrophysical Journal. Серед співавторів Массачусетського технологічного інституту – постдоки Рохан Найду та Мінхао Юе; Роберт Сімко, професор фізики імені Френсіса Фрідмана та директор Інституту астрофізики та космічних досліджень Массачусетського технологічного інституту Кавлі; і співробітники з таких установ, як Лейденський університет, Каліфорнійський університет у Санта-Барбарі, ETH Zurich та інших.
Галактичні сусіди
П’ять нещодавно спостережених квазарів є одними з найстаріших квазарів, які спостерігалися на сьогоднішній день. Вважається, що об’єкти, яким понад 13 мільярдів років, утворилися між 600 і 700 мільйонами років після Великого вибуху. Надмасивні чорні діри, що живлять квазари, у мільярд разів масивніші за Сонце та більш ніж у трильйон разів яскравіші. Завдяки своїй надзвичайній яскравості світло від кожного квазара здатне подолати вік Всесвіту, досить далеко, щоб досягти сучасних високочутливих детекторів JWST.
«Це просто феноменально, що тепер у нас є телескоп, який може вловлювати світло 13 мільярдів років тому з такою великою кількістю деталей», — каже Ейлерс. «Вперше JWST дозволив нам поглянути на середовище цих квазарів, де вони виросли та як виглядало їх сусідство».
Команда проаналізувала зображення п’яти стародавніх квазарів, зроблені JWST у період із серпня 2022 року до червня 2023 року. Спостереження кожного квазара включали кілька «мозаїчних» зображень або часткових зображень поля квазара, які команда ефективно зшила, щоб створити повну картину. навколишнього середовища кожного квазара.
Телескоп також проводив вимірювання світла в різних довжинах хвиль в полі кожного квазара, яке команда потім обробила, щоб визначити, чи даний об’єкт у полі є світлом від сусідньої галактики, і наскільки далеко галактика знаходиться від набагато більш яскравого центрального квазара.
«Ми виявили, що єдина відмінність між цими п’ятьма квазарами полягає в тому, що їхнє середовище виглядає дуже різним», — говорить Ейлерс. «Наприклад, навколо одного квазара майже 50 галактик, а в іншого — лише дві. І обидва квазари знаходяться в межах одного розміру, об’єму, яскравості та часу Всесвіту. Це було справді дивно бачити».
Стрибки зростання
Різниця в полях квазарів вносить перелом у стандартну картину росту чорної діри та формування галактик. Згідно з найкращим розумінням фізиків того, як з’явилися перші об’єкти у Всесвіті, космічна павутина темної матерії мала визначити курс. Темна матерія — це ще невідома форма матерії, яка не взаємодіє з навколишнім середовищем лише через гравітацію.
Вважається, що незабаром після Великого вибуху ранній Всесвіт утворив нитки темної матерії, які діяли як свого роду гравітаційна дорога, притягуючи газ і пил уздовж своїх вусиків. У надто щільних областях цієї павутини матерія могла б накопичуватися, утворюючи більш масивні об’єкти. І найяскравіші, наймасивніші ранні об’єкти, такі як квазари, сформувалися б у регіонах з найвищою щільністю павутини, що також утворило б набагато більше менших галактик.
«Космічна павутина темної матерії є надійним прогнозом нашої космологічної моделі Всесвіту, і її можна детально описати за допомогою чисельного моделювання», — говорить співавтор Еліа Піццаті, аспірант Лейденського університету. «Порівнюючи наші спостереження з цим моделюванням, ми можемо визначити, де в космічній мережі розташовані квазари».
За оцінками вчених, квазарам довелося б безперервно рости з дуже високою швидкістю акреції, щоб досягти надзвичайної маси та світності в той час, коли астрономи спостерігали за ними, менше ніж через 1 мільярд років після Великого вибуху.
«Головне питання, на яке ми намагаємося відповісти, полягає в тому, як утворюються ці чорні діри з мільярдами сонячних мас у той час, коли Всесвіт ще дуже, дуже молодий? Він все ще в зародковому стані», — каже Ейлерс.
Висновки команди можуть викликати більше питань, ніж відповідей. Схоже, що «самотні» квазари живуть у відносно порожніх областях космосу. Якщо космологічні моделі фізиків правильні, ці безплідні області означають дуже мало темної матерії або вихідного матеріалу для утворення зірок і галактик. Як же тоді виникли надзвичайно яскраві та масивні квазари?
«Наші результати показують, що все ще відсутня значна частина головоломки щодо того, як ці надмасивні чорні діри ростуть», — каже Ейлерс. «Якщо навколо недостатньо матеріалу для того, щоб деякі квазари могли безперервно рости, це означає, що має бути якийсь інший спосіб, за допомогою якого вони можуть рости, але нам ще належить з’ясувати».
