Существует давний вопрос: что появляется раньше – сверхмассивная черная дыра или галактика, которая её окружает? В ранней Вселенной крайне сложно отделить галактику от находящейся в её центре черной дыры и определить массу последней. Используя космический телескоп «Джеймс Уэбб», ученые из MIT смогли изучить шесть древних галактик. Полученные данные о их массе оказались неожиданными.
Квазары представляют собой активные ядра галактик. Это сверхмассивные черные дыры, которые уже накопили значительную массу и активно поглощают вещество, формируя вокруг себя аккреционный диск. Нагрев диска, возникающий в результате этих процессов, приводит к его свечению. Яркость этих объектов настолько высока, что она превышает яркость их галактик на несколько порядков. Это свойство облегчает поиск квазаров даже в ранней Вселенной, однако затрудняет непосредственные наблюдения за галактиками.
За последние пару десятилетий астрономы нашли примерно 300 квазаров, свет от которых летел к нам больше 12,8 миллиарда лет. Получается, к моменту, когда Вселенной было около одного миллиарда лет, в ней уже были черные дыры массой больше миллиарда солнц. Для сравнения: масса дыры в центре Млечного Пути — приблизительно 4,3 миллиона солнечных масс.
Изучение далеких квазаров выявило разнообразие форм и размеров галактик, в которых они находятся. Однако, для определения соотношения масс необходимо выделить центральную область от окружающих звезд. Это сопоставимо с попыткой различить рой светлячков на фоне яркого фонаря.
Изучение этих квазаров с помощью радиотелескопов ALMA выявляет холодную пыль и газ – очевидные индикаторы областей звездообразования. Именно для поиска этих областей и проводились наблюдения, однако для изучения звезд необходимы данные и в других диапазонах. В этом помог космический телескоп «Джеймс Уэбб». Он позволяет «заглянуть» дальше в космос и осуществляет наблюдения в инфракрасном спектре.
Используя телескоп «Джеймс Уэбб», ученые из Массачусетского технологического института (США) провели исследование шести квазаров, существовавших в ранней Вселенной. Свет от этих объектов дошел до Земли от 12,7 до 12,9 миллиарда лет (их красное смещение варьируется от 5,9 до 7). Наблюдения проводились в общей сложности в течение 120 часов. Результаты исследования были опубликованы в журнале The Astrophysical Journal и выложены на сайте arXiv.
«Только у трех объектов – J0148+0600, J159-02 и J1120+0641 – ученым удалось выделить свечение галактик, отделив его от излучения, исходящего из областей вокруг их сверхмассивных черных дыр. Для этого использовалась специализированная компьютерная модель, которая позволяет определить, какой свет, скорее всего, исходит от «точки», то есть квазара, а какой – от рассеянного облака света, генерируемого звездами.
Анализ данных позволил ученым определить массы квазаров и содержащих их галактик. Выяснилось, что в ранней Вселенной масса сверхмассивной черной дыры в сравнении с общей массой звезд составляла около 1:10. В настоящее время, для галактик с аналогичной массой звезд, это соотношение значительно меньше – порядка 1:1000.
Согласно новым данным, в эпоху ранней Вселенной вклад сверхмассивных черных дыр в обычную материю галактик был в 100 раз больше, чем наблюдается в настоящее время. Этот вывод представляется весьма неожиданным, поскольку механизм, лежащий в его основе, пока неясен. Он также указывает на значительно большее воздействие этих черных дыр на процесс формирования галактик, чем предполагалось ранее.
«Это позволяет нам выяснить, кто развивается первым: черная дыра, а затем галактика ее настигает? Или же ростом черной дыры управляют галактика и ее звездные скопления? Наши наблюдения показывают, что в ранней Вселенной сверхмассивные черные дыры увеличивали свою массу быстрее, чем их галактики. Кроме того, мы можем с определенной осторожностью предположить, что первоначальные черные дыры были более массивными, чем современные галактики», — объяснила автор исследования Анна-Кристина Эйлерс, доцент физики в Массачусетском технологическом институте.
Современные галактики демонстрируют четкую взаимосвязь между массой сверхмассивной черной дыры, массой звезд и скоростью их движения. По всей видимости, черные дыры и галактики развиваются совместно, однако механизм, посредством которого они влияют друг на друга, остается неясным. Происхождение этой корреляции является предметом многочисленных гипотез.
Некоторые исследователи рассматривают гипотезу о том, что причиной наблюдаемой взаимосвязи является процесс, который инициирует формирование галактики и аккрецию в черную дыру. Существует также предположение, что видимая корреляция может быть объяснена теорией вероятности. Однако более распространенными являются представления о реальном взаимодействии между галактикой и ее черной дырой.
Недавно астрономы впервые напрямую увидели, как сверхмассивная черная дыра подавляет звездообразование в своей галактике? Излучение, исходящее из активного ядра, может «вытеснить» газ из межзвездной среды, тем самым прекращая рождение новых звезд. Кроме того, это излучение способно нагревать газ, находящийся в гало галактики, что приводит к остановке как звездообразования, так и аккреции вещества на черную дыру. Для получения более полного понимания необходимы дополнительные наблюдения. Новое исследование демонстрирует, что телескоп «Джеймс Уэбб» может предоставить необходимую информацию.