В первый год работы космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) было совершено несколько значимых открытий. Среди них — предоставление наиболее чётких изображений знаковых космических структур, таких как Столпы Творения, спектров передачи атмосфер экзопланет и видов Юпитера, его крупнейших спутников, колец Сатурна, его крупнейшего спутника Титана и шлейфов Энцелада. Однако JWST также сделал неожиданное открытие в течение первого года наблюдений, которое может оказаться прорывом: им была обнаружена группа «маленьких красных точек» в крошечной области Вселенной.
Эти объекты были замечены в ходе обзоров EIGER («Галактики с эмиссионными линиями и межгалактическим газом в эпоху реионизации») и FRESCO («Спектроскопически полных наблюдений в первую эпоху реионизации»). Согласно новому анализу международной группы астрофизиков, эти точки оказались ядрами галактик, содержащими предшественников сверхмассивных чёрных дыр, существовавших в ранней Вселенной. Существование этих чёрных дыр вскоре после Большого взрыва может изменить понимание о формировании первых сверхмассивных чёрных дыр во Вселенной.
Источник: NASA / ESA / CSA / J. Matthee (ISTA) / R. Mackenzie (ETH Zurich) / D. Kashino (National Observatory of Japan) / S. Lilly (ETH Zurich)
Исследование международной группы возглавил Йоррит Матти, доцент кафедры астрофизики Австрийского института науки и технологий (ISTA) и Швейцарской технической школы (ETH Zürich).
Учёным давно известно, что сверхмассивные чёрные дыры находятся в центрах большинства массивных галактик. И хотя некоторые из них находятся в «спящем состоянии», как Стрелец А* в центре Млечного Пути, другие чёрные дыры активны и растут со скоростью нескольких солнечных масс в год. Эти быстро растущие чёрные дыры питают активные ядра галактик — квазары, которые своим блеском временно затмевают все звёзды в своём диске.
Квазары являются одними из самых ярких объектов, известных астрономам. В последние годы астрономы обнаружили в ранней Вселенной несколько квазаров и сверхмассивных чёрных дыр, размеры которых превосходят предсказания космологических моделей. Как пояснил Матти в пресс-релизе: «Одной из проблем с квазарами является тот факт, что некоторые из них кажутся слишком массивными относительно возраста Вселенной, в которой они наблюдаются. Если учесть, что квазары возникают в результате вспышек массивных звёзд и что у нас есть максимальная известная скорость их роста по общим законам, то некоторые из них выглядят так, будто выросли быстрее, чем это возможно. Это как смотреть на пятилетнего ребёнка ростом два метра. Что-то не сходится».
Матти и его команда определили популяцию «маленьких красных точек», анализируя данные, полученные в ходе исследований EIGER и FRESCO, в которых Матти принимал участие. Кампания EIGER была организована для поиска редких голубых сверхмассивных квазаров и их окружения, а не квазаров в ранней Вселенной. Однако камера ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) способна регистрировать спектры излучения всех объектов в известной Вселенной. Ранее эти объекты были ошибочно отнесены к обычным галактикам, по результатам наблюдений «Хаббла».
Однако благодаря NIRCam команда идентифицировала их как сверхмассивные чёрные дыры. По словам Матти, это открытие может иметь глубокие последствия для астрономии и космологии: «JWST помог нам определить, что эти „маленькие красные точки“, найденные в далёком прошлом Вселенной, являются малыми версиями чрезвычайно массивных чёрных дыр. Эти объекты могут изменить наше представление о происхождении чёрных дыр. Эти открытия могут приблизить нас к ответу на одну из крупнейших загадок астрономии: согласно современным моделям, некоторые сверхмассивные чёрные дыры в ранней Вселенной выросли „слишком быстро“. Как они образовались?»
Команда смогла отличить галактики от малых квазаров благодаря обнаружению NIRCam спектральных линий водорода. Они обнаружили, что наблюдаемые спектры имеют широкий профиль, который они использовали для определения движения горячего газообразного водорода. «Эти спектры говорят нам, что мы наблюдаем очень маленькое газовое облако, которое движется с чрезвычайно высокой скоростью и вращается вокруг чего-то очень массивного», — сказал Мэти.
Не менее важными являются полученные значения красного смещения, указывающие на то, что эти объекты существовали более 12 миллиардов лет назад — примерно через 1 миллиард лет после Большого Взрыва — и не были такими массивными, как те квазары, что наблюдаются сегодня в соседних галактиках. Как отметил Матти: «Эти объекты похожи на „зародышей квазаров“. Их масса составляет от десяти до ста миллионов солнечных масс. Они кажутся красными, потому что они „пыльные“. Пыль затемняет чёрные дыры и придаёт им красный цвет».
В конечном итоге поток газообразного водорода проникнет сквозь облака пыли и газа, окружающие и затемняющие массивные чёрные дыры («пылевой кокон»), и эти меньшие сверхмассивные чёрные дыры развовьются в более крупные. Таким образом, Матти и его команда предположили, что «маленькие красные точки» представляют собой маленькие красные версии гигантских синих сверхмассивных чёрных дыр на стадии, предшествующей «необычным квазарам». Последующие наблюдения астрономов позволят провести более детальные исследования этих молодых сверхмассивных чёрных дыр, что может привести к лучшему пониманию процесса формирования «проблемных квазаров».