Астрономы изо всех сил пытались понять появление сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной с момента открытия этих объектов на расстояниях, простирающихся всего на 750 миллионов лет назад после Большого взрыва. Понимание того, как сверхмассивные черные дыры формируются и растут в ранней Вселенной, стало серьезной проблемой. Теории и компьютерное моделирование предсказывают быстрый рост черных дыр в первых пылевых галактиках со звездообразованием, но до сих пор они не наблюдались. Недавно астрономы обнаружили в архивных данных космического телескопа Хаббл НАСА/ЕКА и других космических и наземных обсерваторий уникальный объект в далекой и ранней Вселенной. Это было бы недостающим звеном между звездообразующими галактиками и появлением квазаров - сверхмассивных черных дыр, аккрецирующих большое количество газа.
Квазар, образовавшийся очень рано во Вселенной, ярче тысячи галактик. Он излучает титаническую энергию, в виде луча на миллионы миллиардов километров. Тем не менее, его размер эквивалентен лишь нескольким солнечным системам (нашим), поставленным рядом.
Это было в 1963 году, когда Маартен Шмидт, голландский астроном, идентифицировал и измерил расстояние до квазара. С помощью больших телескопов было замечено около 130 000 квазаров. Это позволило предположить, что в их центре находится сверхмассивная черная дыра, представляющая почти всю ее массу: от нескольких миллионов до нескольких миллиардов масс Солнца. Вещество вблизи черной дыры с большой скоростью вращается вокруг нее и образует аккреционный диск. Этот вращающийся диск из вещества и газа генерирует за счет трения огромное количество тепла. Часть с ускорением приближается к горизонту захватившей ее черной дыры. Поскольку от последнего ничего не ускользает, именно материал диска отвечает за световое излучение. Таким образом, квазар черпает энергию и силу из своего сердца.
Таким образом, квазары, приводимые в действие материей, падающей в их сверхмассивную черную дыру, должны были образоваться в начале истории Вселенной, всего через 700-800 миллионов лет после Большого взрыва. Ученые считают, что они произошли от сверхмассивных черных дыр в пыльных галактиках, которые, как было подтверждено, появились раньше. Но до сих пор не было прямых доказательств, связывающих эти два явления и помогающих понять, как сверхмассивные черные дыры формируются и растут в ранней Вселенной.
Это сделано с помощью этого открытия в архивных изображениях Хаббла, среди которых астрономы сообщили об особом объекте, названном GNz7q. Это будет первая быстрорастущая черная дыра, обнаруженная в ранней Вселенной, и, следовательно, «недостающее звено» их происхождения. Исследование опубликовано в журнале Nature.
Сверхмассивная черная дыра для всеобщего обозрения
Исследователи нашли свидетельство недостающего звена, проанализировав архивные данные космического телескопа Хаббла, для области неба, известной как «Хаббл ТОВАРЫ Северное Поле» в созвездии Великобритании Медведь. Это поле широко изучалось Хабблом и другими телескопами.
Команда заметила объект, получивший название GNz7q, который выглядит как черная дыра, которая только начинает доминировать над галактикой-хозяином в процессе превращения в квазар. Дополнительные архивные данные, в том числе телескоп Subaru, который может видеть дальше в инфракрасном диапазоне, чем Хаббл, позволили астрономам отличить черную дыру от галактики-хозяина. Изучение компактного ультрафиолетового излучения аккреционного диска черной дыры помогло им определить, что GNz7q существует всего 750 миллионов лет после Большого взрыва.
Габриэль Браммер, астроном из Института Нильса Бора Копенгагенского университета и соавтор исследования, говорит в своем заявлении: «GNz7q - это уникальное открытие прямо в центре известного и хорошо -исследованное поле неба. Маловероятно, что обнаружение GNz7q в относительно небольшом районе исследования GOODS-North было случайностью, скорее распространенность таких источников на самом деле намного выше, чем предполагалось».
Другими словами, может быть еще много случайно пропущенных формирующихся черных дыр, ожидающих своего открытия. GNz7q также может помочь ученым выполнить еще более важную задачу: выяснить происхождение сверхмассивных черных дыр.
Недостающее звено, ключ к происхождению сверхмассивных черных дыр
Как упоминалось выше, ученые считают, что сверхмассивные черные дыры зарождаются в пылевых ядрах звездообразующих галактик, т.е. галактик, которые очень быстро производят звезды. Затем, поглощая всю пыль и газ из этих галактик, черная дыра, по-видимому, получает много тепла и в конечном итоге превращается в чрезвычайно яркий квазар или сверхмассивную черную дыру. Все эти шаги дают очень специфические спектры излучения в соответствии с моделированием, спектры, которые мы можем попытаться обнаружить, связанные с очень старыми галактиками.
Сэйдзи Фудзимото, астроном из Института Нильса Бора Копенгагенского университета и ведущий автор статьи, объясняет: «Наш анализ показывает, что GNz7q - первый пример быстрорастущей черной дыры в пыльной ядро звездообразующей галактики во время, близкое к старейшей из известных сверхмассивных черных дыр во Вселенной. Свойства объекта в электромагнитном спектре превосходно согласуются с предсказаниями теоретического моделирования».
Действительно, родительская галактика GNz7q формирует звезды со скоростью 1600 звезд с массой Солнца в год, а сама GNz7q кажется яркой в ультрафиолетовом диапазоне длин волн, но очень слабой в d-длинах волны. его краснота в обзоре GOODS-North, вероятно, является результатом того, что свет от квазара покраснел от пыли от сгорания. Команда интерпретировала это как предположение, что GNz7q действительно является домом для быстро растущей черной дыры. В частности, эти результаты предполагают, что ядро аккреционного диска, откуда исходит рентгеновское излучение, все еще скрыто; в то время как внешняя часть аккреционного диска, откуда исходит УФ-свет, проясняется. Он добавляет: «GNz7q устанавливает прямую связь между этими двумя редкими популяциями и предлагает новый способ понять быстрый рост сверхмассивных черных дыр в начале Вселенной».
Откройте для себя небо заново с помощью телескопа Джеймса Уэбба
Обнаружение GNz7q, спрятанного на виду, стало возможным только благодаря уникальным и подробным наборам данных о нескольких длинах волн, доступным GOODS-North. Без этого множества данных GNz7q было бы легко не заметить, поскольку ему не хватало отличительных характеристик, обычно используемых для идентификации квазаров в ранней Вселенной. Теперь команда надеется систематически искать подобные объекты, используя специальные обзоры с высоким разрешением, и использовать спектроскопические инструменты космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА для изучения таких объектов, как GNz7q, с беспрецедентной детализацией.
Fujimoto заключает: «С помощью космического телескопа Джеймса Уэбба станет возможным полностью охарактеризовать эти объекты и исследовать их эволюцию и лежащую в их основе физику с гораздо большими подробностями. После того, как он начнет работать в обычном режиме, Уэбб сможет решительно определить истинную частоту этих быстро растущих черных дыр».
В заключение, эти данные, связанные с вводом в эксплуатацию телескопа Джеймса-Уэбба, позволят нам лучше понять, как Млечный Путь и его сверхмассивная черная дыра формировались и развивались.