|
Сверхмассивные черные дыры окутаны пылью
|
|
|
|
Астрономы обнаружили "окутанные пылью сверхмассивные черные дыры" в ранней Вселенной, менее чем через 1 миллиард лет после Большого взрыва - тип объектов, который ранее не удавалось обнаружить. Международная исследовательская группа, включающая ученых из Университета Эхимэ и Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ), сначала идентифицировала галактики-кандидаты с помощью телескопа Subaru, а затем подтвердила с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), что в них находятся сверхмассивные черные дыры, которые светятся как квазары и поглощают окружающее вещество.
|
|
|
|
Это первое открытие таких скрытых, но ярких квазаров в ранней Вселенной, свидетельствующее о том, что в то время яркие квазары встречались как минимум в два раза чаще, чем считалось ранее. Исследование опубликовано в Astrophysical Journal.
|
|
Фон
|
|
|
|
В современной Вселенной, спустя 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва, почти все галактики содержат в своих центрах сверхмассивные черные дыры, масса которых в миллионы раз превышает массу Солнца. Большую часть времени эти черные дыры остаются бездействующими, но когда они поглощают окружающую материю, они испускают сильное излучение и становятся мощными объектами, называемыми квазарами.
|
|
|
|
Считается, что интенсивное излучение квазара существенно влияет на рост и эволюцию галактики-хозяина, вытесняя газ из галактики. Поскольку галактики прослеживают эволюцию видимой Вселенной, понимание сверхмассивных черных дыр имеет решающее значение для расшифровки того, как Вселенная приняла ту форму, которую мы видим сегодня.
|
|
|
|
|
|
|
Несмотря на ключевую роль, которую играют сверхмассивные черные дыры во Вселенной, остается фундаментальной загадкой, как они вообще образовались. Многие сверхмассивные черные дыры были обнаружены уже через 1 миллиард лет после Большого взрыва, что подразумевает, что их образование должно было произойти еще раньше. По этой причине обширные поиски квазаров были нацелены на раннюю эпоху, иногда называемую "космическим рассветом", когда Вселенной было менее 1 миллиарда лет.
|
|
|
|
Важным ключом к пониманию механизма их образования является их численная плотность, то есть количество сверхмассивных черных дыр на единицу объема пространства. Если их число велико, то они должны образовываться относительно часто и в широком масштабе, возможно, как остатки звезд первого поколения. И наоборот, низкая численная плотность предполагает образование черных дыр в особых условиях, таких как прямой коллапс массивных объектов из-за самогравитации, с образованием первоначальных черных дыр.
|
|
|
|
Когда сверхмассивная черная дыра активна как квазар, она сияет так ярко, что ее можно обнаружить даже на больших расстояниях, что соответствует более ранним временам существования Вселенной. В свете квазара мы видим "широкую линию излучения", расширенную эффектом Доплера из-за газа, движущегося с высокой скоростью вокруг центральной черной дыры (см. рис. ниже). Обнаружение такой широкой линии излучения является явным признаком активной сверхмассивной черной дыры в галактике.
|
|
|
|
В предыдущих работах исследовательских групп, возглавляемых американскими и европейскими исследователями, этот метод использовался для обнаружения квазаров на заре космического развития. Исследовательская группа, участвовавшая в этом исследовании, присоединилась к работе, используя телескоп Subaru, и обнаружила более 200 квазаров.
|
|
|
|
Однако традиционные исследования сталкиваются с ограничениями из—за технологии наблюдений: квазары были идентифицированы с помощью ультрафиолетового излучения, которое они излучают, и которое с Земли воспринимается как видимый свет (см. рис. ниже). Ультрафиолетовый свет легко поглощается пылью, а многие галактики содержат значительное количество пыли.
|
|
|
|
Когда квазар находится в такой галактике, его ультрафиолетовое излучение в значительной степени поглощается и не доходит до нас. Это привело к подозрению, что квазары, обнаруженные при обычных исследованиях, представляют собой лишь часть истинной популяции, а гораздо больше скрыто пылью.
|
|
|
|
Наблюдение за скрытыми квазарами
|
|
|
|
Исследовательская группа сосредоточилась на наиболее ярких галактиках, обнаруженных в ходе широкомасштабной съемки, проведенной с помощью Hyper Suprime-Cam на телескопе Subaru (HSC-SSP). Первоначально эти галактики были обнаружены при поиске квазаров, но поскольку в то время не было обнаружено широких эмиссионных линий, они не считались квазарами.
|
|
|
|
Тем не менее, признаки наличия мощного источника энергии более 10 лет заставляли команду подозревать, что скрытые квазары могут присутствовать. Запуск JWST изменил правила игры. Впервые команда смогла наблюдать видимый свет от этих галактик, который достигает Земли в инфракрасном диапазоне, что позволяет им видеть сквозь пыль, которая блокирует ультрафиолетовый свет (см. рис. выше).
|
|
|
|
Наблюдения проводились с помощью спектрографа NIRSpec, установленного на борту JWST, с июля 2023 по октябрь 2024 года, и были нацелены на 11 наиболее ярких галактик, обнаруженных телескопом Subaru. На семи из них отчетливо видны широкие линии излучения, что является характерным признаком квазара (см. рис. ниже). Это подтверждает наличие покрытых пылью квазаров. Это первые светящиеся квазары, закрытые пылью, обнаруженные на заре космической эры.
|
|
|
|
Ранее сообщалось о нескольких возможных кандидатах на роль затененных пылью квазаров на заре космической эры. Однако они остаются неубедительными, поскольку широкой линии излучения обнаружено не было. Недавние наблюдения JWST выявили множество новых объектов, называемых "Маленькими красными точками", на многих из которых видны широкие линии излучения.
|
|
|
|
Считается, что в них находятся черные дыры, но они намного слабее квазаров, ранее обнаруженных в ранней Вселенной. Напротив, это исследование выявило первые примеры сверхмассивных черных дыр на заре существования Космоса, которые светятся так же ярко, как обычные квазары, но затемнены окружающей их пылью.
|
|
|
|
Более пристальный взгляд на спектры показал, что эти квазары излучают энергию, эквивалентную нескольким триллионам солнц, и питаются от черных дыр с массами в несколько миллиардов солнц. Эти значения сравнимы с обычными, незатененными квазарами, известными со времен зарождения Космоса. Команда также обнаружила, что пыль поглощает около 70% видимого света и почти все (99,9%) ультрафиолетовое излучение этих квазаров, что объясняет, почему они не были замечены в предыдущих исследованиях.
|
|
|
|
Сравнив численную плотность квазаров, команда пришла к выводу, что закрытые пылью квазары встречаются по меньшей мере так же часто, как и ранее известные обычные квазары. Это означает, что количество ярких квазаров в ранней Вселенной по меньшей мере в два раза больше, чем считалось ранее.
|
|
|
|
Доктор Йошики Мацуока из Университета Эхимэ, возглавлявший это исследование, утверждает: "Это открытие стало возможным только благодаря уникальному сочетанию двух мощных телескопов. Широкий и чувствительный обзор телескопа Subaru позволил нам обнаружить редкие светящиеся галактики, а JWST смог уловить слабый инфракрасный свет от скрытых квазаров. Это показывает, насколько эффективным может быть подход "Открывай с телескопом Subaru, исследуй с Джеймсом Уэббом"."
|
|
Перспективы на будущее
|
|
|
|
Команда выделяет два основных направления для будущих исследований. Во-первых, они планируют проследить за скрытыми квазарами, чтобы увидеть, отличаются ли они принципиально от обычных. Спектры JWST содержат линии излучения различных элементов, что позволяет судить о физических условиях вблизи черных дыр. Они также планируют использовать телескоп ALMA для детального изучения галактик-хозяев.
|
|
|
|
Во-вторых, команда стремится распространить поиск скрытых черных дыр на более широкую популяцию галактик, включая менее яркие, чтобы выявить полную популяцию сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной. У них уже есть утвержденная новая программа JWST, и предстоящие наблюдения планируется начать в начале следующего года.
|
|
|
|
Источник
|
