Хто росте першим: надмасивна чорна діра чи галактика, що її оточує? Під час спостережень молодого Всесвіту “відокремити” галактику від її діри й оцінити її масу дуже непросто. За допомогою космічного телескопа “Джеймс Вебб” астрономи MIT змогли розглянути шість стародавніх галактик. Результати “зважування” їх здивували.
Квазар J0148. Знімок космічного телескопа “Джеймс Вебб” / © Courtesy of the researchers; NASA
Квазари – активні ядра галактик. Це надмасивні чорні діри, які вже накопичили вражаючу масу, активно поглинають матерію і формують навколо себе аккреційний диск. Через ці процеси диск нагрівається і світиться. Так сильно, що ці об’єкти стають на кілька порядків яскравішими за свої галактики. Це допомагає в пошуку квазарів навіть у молодому Всесвіті, але робить майже неможливими спостереження за самими галактиками.
За останні пару десятиліть астрономи знайшли приблизно 300 квазарів, світло від яких летіло до нас понад 12,8 мільярда років. Виходить, до моменту, коли Всесвіту було близько одного мільярда років, у ньому вже були чорні діри масою понад мільярд сонць. Для порівняння: маса діри в центрі Чумацького Шляху – приблизно 4,3 мільйона сонячних мас.
Спостереження за далекими квазарами дали змогу розгледіти безліч форм і розмірів їхніх галактик, але для оцінки співвідношення мас необхідно “відокремити” центр від зірок. Це все одно що намагатися розрізнити рій світлячків на тлі гігантського ліхтаря.
Радіотелескопи ALMA, які вивчали ці квазари, “бачать” лише холодний пил і газ – явні ознаки областей зореутворення. Заради пошуку цих областей і вели спостереження, але для вивчення зірок потрібні й дані з інших діапазонів. У цьому допоміг космічний телескоп “Джеймс Вебб”. По-перше, він бачить “глибше” в космос. По-друге, веде спостереження в інфрачервоному спектрі.
За допомогою “Джеймса Вебба” дослідники з Массачусетського технологічного інституту (США) вивчили шість квазарів у молодому Всесвіті. Світло цих об’єктів летіло до нас від 12,7 до 12,9 мільярда років (червоний зсув – від 5,9 до 7). Спостереження вели сумарно протягом 120 годин. Результати роботи опубліковано в журналі The Astrophysical Journal і викладено на сайті arXiv.
“Відокремити” світло самих галактик від випромінювання з околиць їхніх надмасивних чорних дір удалося тільки у трьох об’єктів: J0148+0600, J159-02 і J1120+0641. Для цього вчені прогнали дані спостережень через спеціалізовану комп’ютерну модель. Модель виявляє, яке світло, ймовірно, йде від “точки”, тобто квазара, а яке – від розрідженої хмари світла, тобто від зірок.
За отриманими результатами група вчених оцінила маси квазарів та їхніх галактик. Вийшло, що в молодому Всесвіті співвідношення маси надмасивних чорних дір до сумарної маси їхніх зірок становило приблизно один до 10. Сьогодні у галактик з тією ж масою зірок це співвідношення на порядки менше: один до 1000.
Виходить, у ранньому Всесвіті надмасивні чорні діри були в 100 разів вагомішим внеском у звичайну матерію в галактиках, ніж сьогодні. Це дуже незвичайний висновок, оскільки поки що не цілком зрозуміло, внаслідок чого це могло б статися. Також з нього випливає куди більший вплив цих чорних дір на формування галактик, ніж вважалося можливим раніше.
Аналіз знімків об’єктів J0148+0600 і J159-02 у різних діапазонах. Перший стовпець – знімки “Джеймса Вебба”. Другий – комп’ютерна модель галактики, де розташований квазар. Далі – обробка даних спостережень з метою “відокремити” галактику від квазара / © Yue et al, The Astrophysical Journal (2024)
“Це допомагає нам зрозуміти, хто росте першим: чорна діра, а галактика її потім наздоганяє? Чи зростанням чорної діри керують галактика та її зірки? Ми бачимо, що в молодому Всесвіті надмасивні чорні діри накопичували масу раніше за свої галактики. Також ми можемо обережно припустити, що зародки цих чорних дір були спочатку масивнішими, ніж у сучасних галактик”, – пояснила авторка дослідження Анна-Крістіна Ейлерс, доцентка фізики в Массачусетському технологічному інституті.
У сучасних галактик помічена явна кореляція між масою надмасивної чорної діри і масою зірок, а також швидкостями їхнього руху. Очевидно, що діри і галактики мають еволюціонувати у зв’язці одна з одною, але питання в тому, як вони “керують” одна одною? Звідки береться кореляція? Припущень багато.
Так, деякі вчені перевіряють версію про те, що причина кореляції в тому процесі, який від початку запускає формування галактики та акрецію в чорну діру. Є навіть припущення, що видима кореляція пояснюється теорією ймовірності. Але все ж більш популярні версії про справжню взаємодію галактики та її чорної діри.
Нещодавно астрономи вперше безпосередньо побачили, як надмасивна чорна діра зупинила зореутворення у своїй галактиці. Випромінювання активного ядра здатне “видути” газ із міжзоряного простору, тим самим зупинивши народження зірок. Також випромінювання може нагрівати газ у гало галактики, зупиняючи не тільки зореутворення, а й акрецію в чорну діру. Щоб розібратися, потрібно провести більше спостережень. Нове дослідження показало, що “Джеймс Вебб” здатний збирати необхідну інформацію.