Мощные черные дыры могут вырасти на краю галактики
Как люди, мы все сформированы районами, в которых мы выросли, будь то шумный городской центр или тихая сельская местность. Объекты в далеком космическом пространстве ничем не отличаются. Как астроном из Университета Аризоны, мне нравится думать о себе как о космическом историке, отслеживающем, как выросли сверхмассивные черные дыры. Как и вы, каждая сверхмассивная черная дыра живет в доме — своей родительской галактике — и в окрестностях — своей локальной группе других галактик. Сверхмассивная черная дыра растет, поглощая газ, уже находящийся внутри своей родительской галактики, иногда достигая массы в миллиард раз тяжелее нашего Солнца. Теоретическая физика предсказывает, что черным дырам потребуются миллиарды лет, чтобы превратиться в квазары — сверхяркие и мощные объекты, питаемые черными дырами. Однако астрономы знают, что многие квазары сформировались всего за несколько сотен миллионов лет.
Я очарован этой своеобразной проблемой более быстро го, чем ожидалось, роста черных дыр, и работаю над ее решением, уменьшая масштаб и исследуя пространство вокруг этих черных дыр. Возможно, самые массивные квазары — это городские пижоны, формирующиеся в центрах десятков или сотен других галактик. Или, может быть, квазары могут вырасти до огромных размеров даже в самых пустынных регионах Вселенной. Самый крупный объект, который может образоваться во Вселенной, — это скопление галактик, содержащее сотни галактик, притянутых гравитацией к общему центру. Прежде чем эти сгруппированные галактики схлопнутся в единый объект, астрономы называют их протокластерами. В этих плотных окрестностях галактик астрономы видят сталкивающиеся галактики, растущие черные дыры и огромные рои газа, которые в конечном итоге станут звездами следующего поколения. Эти структуры протокластеров растут гораздо быстрее, чем мы думали, поэтому нам предстоит решить вторую космическую проблему — как квазары и протокластеры эволюционируют так быстро? Они связаны?
Чтобы посмотреть на протокластеры, астрономы в идеале получают изображения, которые показывают форму, размер и цвет галактики, а также спектр, который показывает расстояние галактики от Земли через определенные длины волн света для каждой галактики в протокластере. С помощью таких телескопов, как космический телескоп Джеймса Уэбба, астрономы могут видеть галактики и черные дыры такими, какими они были миллиарды лет назад, поскольку свет, излучаемый далекими объектами, должен пройти миллиарды световых лет, чтобы достичь своих детекторов. Затем мы сможем посмотреть на детские изображения протокластеров и квазаров, чтобы увидеть, как они развивались в ранние времена. Только просмотрев спектры, астрономы определяют, действительно ли галактики и квазары расположены близко друг к другу в трехмерном пространстве. Но получение спектров для каждой галактики по отдельности может занять гораздо больше часов, чем у любого астронома, а изображения могут показать галактики, которые выглядят ближе друг к другу, чем есть на самом деле.
Таким образом, долгое время это было всего лишь предсказанием того, что массивные квазары могут развиваться в центрах огромных галактических городов. Теперь Уэбб произвел полную революцию в поиске окрестностей галактик благодаря прибору, называемому широкопольным безщелевым спектрографом. Этот инструмент одновременно снимает спектры каждой галактики в поле зрения, поэтому астрономы могут сразу составить карту всего космического города. Он кодирует важную информацию о трехмерном местоположении галактик, фиксируя свет, излучаемый газом на определенных длинах волн — и всего за несколько часов наблюдения. Первые проекты Уэбба надеются изучить среду квазаров, сосредоточенную на периоде примерно через 800 миллионов лет после Большого взрыва. Этот период времени является идеальным моментом, когда астрономы могут наблюдать за этими монстрами-квазарами и их соседями, используя свет, излучаемый водородом и кислородом. Длины волн этих световых особенностей показывают, где на нашем луче зрения находятся объекты, излучающие их, что позволяет астрономам завершить учет того, где живут галактики относительно ярких квазаров.
Один из таких текущих проектов возглавляет команда ASPIRE из Стюардской обсерватории Университета Аризоны. В одной из первых работ они обнаружили протокластер вокруг чрезвычайно яркого квазара и подтвердили это с помощью спектров 12 галактик. Другое исследование обнаружило более сотни галактик в направлении единственного самого яркого квазара, известного в ранней Вселенной. Двадцать четыре из этих галактик находились близко к квазару или в его окрестностях. В ходе текущей работы моя команда изучает больше подробностей о подобных мини-галактических городах. Мы хотим выяснить, демонстрируют ли отдельные галактики высокие темпы образования новых звезд, содержат ли они большие массы старых звезд или сливаются друг с другом. Все эти показатели указывают на то, что эти галактики все еще активно развиваются, но сформировались уже за миллионы лет до того, как мы их наблюдали. Как только моя команда получит список свойств галактик в определенной области, мы сравним эти свойства с контрольной выборкой случайных галактик во Вселенной, вдали от любого квазара. Если эти показатели будут достаточно отличаться от контрольных, у нас будут веские доказательства того, что квазары действительно растут в особых районах — развивающихся гораздо быстрее, чем более редкие регионы Вселенной. Хотя астрономам все еще нужно больше, чем несколько квазаров, чтобы доказать эту гипотезу в более широком масштабе, Уэбб уже открыл окно в светлое будущее открытий в великолепных деталях с высоким разрешением.
