Астрономы обнаружили древние одинокие квазары с неясным происхождением

На этом снимке, сделанном космическим телескопом NASA James Webb, изображен древний квазар (обведен красным) с меньшим, чем ожидалось, количеством соседних галактик (яркие пятна), что бросает вызов пониманию физиками того, как образовались первые квазары и сверхмассивные черные дыры. Автор: Christina Eilers/EIGER team

Квазар — это чрезвычайно яркое ядро галактики, в центре которой находится активная сверхмассивная черная дыра. Когда черная дыра втягивает окружающий газ и пыль, она выбрасывает огромное количество энергии, что делает квазары одними из самых ярких объектов во Вселенной. Квазары наблюдались уже через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, и оставалось загадкой, как эти объекты могли стать такими яркими и массивными за столь короткий промежуток космического времени.

Ученые предположили, что самые ранние квазары возникли из чрезмерно плотных областей первичной материи, что также могло бы породить множество меньших галактик в окружении квазаров. Но в новом исследовании под руководством Массачусетского технологического института астрономы наблюдали некоторые древние квазары, которые, как ни странно, оказались одинокими в ранней Вселенной.

Астрономы использовали космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST) НАСА, чтобы заглянуть назад во времени, более чем на 13 миллиардов лет, чтобы изучить космическое окружение пяти известных древних квазаров. Они обнаружили удивительное разнообразие в их окрестностях, или «квазарных полях». В то время как некоторые квазары находятся в очень переполненных полях с более чем 50 соседними галактиками, как предсказывают все модели, остальные квазары, по-видимому, дрейфуют в пустотах, имея в окрестностях лишь несколько блуждающих галактик.

Эти одинокие квазары бросают вызов физикам, пытаясь понять, как такие яркие объекты могли сформироваться на столь раннем этапе развития Вселенной, без значительного источника окружающего вещества, способного подпитывать рост их черной дыры.

«Вопреки прежним представлениям, мы обнаружили, что в среднем эти квазары не обязательно находятся в областях с самой высокой плотностью ранней Вселенной. Некоторые из них, похоже, находятся где-то в глуши», — говорит Анна-Кристина Эйлерс, доцент кафедры физики Массачусетского технологического института. «Трудно объяснить, как эти квазары могли вырасти такими большими, если им, по-видимому, нечем было питаться».

Есть вероятность, что эти квазары не такие уж одинокие, как кажутся, а окружены галактиками, которые сильно окутаны пылью и поэтому скрыты от глаз. Эйлерс и ее коллеги надеются настроить свои наблюдения так, чтобы попытаться увидеть сквозь такую космическую пыль, чтобы понять, как квазары стали такими большими и такими быстрыми в ранней Вселенной.

Эйлерс и ее коллеги сообщают о своих выводах в статье, опубликованной в The Astrophysical Journal. Соавторами MIT являются постдокторанты Рохан Найду и Мингхао Юэ; Роберт Симко, профессор физики имени Фрэнсиса Фридмана и директор Института астрофизики и космических исследований Кавли MIT; и сотрудники из таких учреждений, как Лейденский университет, Калифорнийский университет в Санта-Барбаре, Швейцарская высшая техническая школа Цюриха и других.

Галактические соседи

Пять недавно обнаруженных квазаров являются одними из старейших квазаров, наблюдавшихся на сегодняшний день. Считается, что возраст этих объектов составляет более 13 миллиардов лет, и они образовались между 600 и 700 миллионами лет после Большого взрыва. Сверхмассивные черные дыры, питающие квазары, в миллиард раз массивнее Солнца и более чем в триллион раз ярче. Благодаря своей чрезвычайной светимости свет от каждого квазара способен путешествовать за возраст Вселенной, достаточно далеко, чтобы достичь высокочувствительных детекторов JWST сегодня.

«Просто феноменально, что теперь у нас есть телескоп, который может улавливать свет 13 миллиардов лет назад в таких подробностях», — говорит Эйлерс. «Впервые JWST позволил нам изучить окружающую среду этих квазаров, где они выросли и каковы были их окрестности».

Группа ученых проанализировала изображения пяти древних квазаров, полученные JWST в период с августа 2022 года по июнь 2023 года. Наблюдения за каждым квазаром включали несколько «мозаичных» изображений или частичных видов поля квазара, которые группа фактически сшивала вместе, чтобы создать полную картину окрестностей каждого квазара.

Телескоп также провел измерения света в нескольких длинах волн в поле зрения каждого квазара, которые затем были обработаны командой, чтобы определить, является ли данный объект в поле светом из соседней галактики, и насколько далеко находится галактика от гораздо более яркого центрального квазара.

«Мы обнаружили, что единственное различие между этими пятью квазарами заключается в том, что их окружение выглядит совершенно по-разному», — говорит Эйлерс. «Например, вокруг одного квазара находится почти 50 галактик, а вокруг другого — всего две. И оба квазара находятся в пределах одного размера, объема, яркости и времени Вселенной. Это было действительно удивительно».

Скачки роста

Несоответствие в полях квазаров вносит излом в стандартную картину роста черных дыр и образования галактик. Согласно лучшему пониманию физиками того, как появились первые объекты во Вселенной, космическая паутина темной материи должна была задать курс. Темная материя — это пока неизвестная форма материи, которая не взаимодействует с окружающей средой иным образом, кроме как посредством гравитации.

Предполагается, что вскоре после Большого взрыва ранняя Вселенная сформировала нити темной материи, которые действовали как своего рода гравитационная дорога, притягивая газ и пыль вдоль своих щупалец. В слишком плотных областях этой паутины материя могла бы накапливаться, образуя более массивные объекты. И самые яркие, самые массивные ранние объекты, такие как квазары, могли бы образоваться в областях с самой высокой плотностью паутины, которые также могли бы произвести на свет гораздо больше галактик меньшего размера.

«Космическая паутина темной материи — это надежное предсказание нашей космологической модели Вселенной, и ее можно подробно описать с помощью численного моделирования», — говорит соавтор Элия Пиццати, аспирант Лейденского университета. «Сравнивая наши наблюдения с этими моделированиями, мы можем определить, где в космической паутине находятся квазары».

Ученые подсчитали, что квазары должны были бы непрерывно расти с очень высокими темпами аккреции, чтобы достичь экстремальной массы и светимости в то время, когда их наблюдали астрономы, менее чем через 1 миллиард лет после Большого взрыва.

«Главный вопрос, на который мы пытаемся ответить, заключается в следующем: как образуются эти черные дыры массой в миллиарды солнечных, когда Вселенная еще очень-очень молода? Она все еще находится в зачаточном состоянии», — говорит Эйлерс.

Результаты работы команды могут вызвать больше вопросов, чем ответов. «Одинокие» квазары, по-видимому, живут в относительно пустых областях космоса. Если космологические модели физиков верны, эти бесплодные области означают очень мало темной материи или исходного материала для зарождения звезд и галактик. Как же тогда появились чрезвычайно яркие и массивные квазары?

Больше информации: Anna-Christina Eilers et al, EIGER. VI. The Correlation Function, Host Halo Mass, and Duty Cycle of Luminous Quasars at z ≳ 6, The Astrophysical Journal (2024). DOI: 10.3847/1538-4357/ad778b

Источник: Massachusetts Institute of Technology