Астрономи виявили стародавні самотні квазари з незрозумілим походженням

Виявлено квазари з малою кількістю видимих космічних сусідів, що викликає питання про те, як вони вперше з′явилися понад 13 мільярдів років тому.

Про це розповідають в Массачусетському технологічному інституті (MIT), передають OstanniPodii.com.

Квазар -- це надзвичайно яскраве ядро галактики, в центрі якого знаходиться активна надмасивна чорна діра. Коли чорна діра втягує навколишній газ і пил, під час цього процесу випромінюється величезна кількість енергії, що робить квазари одними з найяскравіших об′єктів у Всесвіті. Квазари спостерігали вже через кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху, і досі залишається загадкою, як ці об′єкти могли стати такими яскравими й масивними за такий короткий проміжок космічного часу.

Вчені припускають, що найдавніші квазари виникли з надмірно щільних областей первісної матерії, яка також могла спричинити появу багатьох менших галактик в оточенні квазарів. Але в новому дослідженні під керівництвом MIT астрономи спостерігали деякі стародавні квазари, які виявилися напрочуд самотніми в ранньому Всесвіті.

Астрономи використовували космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST), щоб зазирнути в минуле, на понад 13 мільярдів років, і вивчити космічне оточення п′яти відомих стародавніх квазарів. Вони виявили дивовижне розмаїття в їхніх околицях, або "квазарних полях". У той час, як деякі квазари знаходяться у дуже переповнених полях з більш ніж 50 сусідніми галактиками, як і передбачають всі моделі, решта квазарів, здається, дрейфують у порожнечах, і лише кілька заблудлих галактик знаходяться поблизу них.

Ці самотні квазари кидають виклик розумінню фізиками того, як такі яскраві об′єкти могли сформуватися так рано у Всесвіті за відсутності значного джерела навколишньої матерії, яка б підживлювала зростання їхніх чорних дір.

"Всупереч попереднім уявленням, ми виявили, що в середньому ці квазари не обов′язково знаходяться в регіонах з найвищою щільністю раннього Всесвіту. Деякі з них, здається, знаходиться в самій глушині", - каже Анна-Крістіна Ейлерс, доцентка кафедри фізики в MIT. "Важко пояснити, як ці квазари могли вирости такими великими, якщо їм, як видається, немає з чого живитися".

Існує ймовірність, що ці квазари можуть бути не такими самотніми, як видається, а оточені галактиками, які сильно оповиті пилом і тому приховані від очей. Ейлерс та її колеги сподіваються налаштувати свої спостереження так, щоб спробувати побачити крізь такий космічний пил, щоб зрозуміти, як квазари так швидко зростали у ранньому Всесвіті.

Ейлерс та її колеги повідомляють про свої висновки в статті, опублікованій в Astrophysical Journal. Серед співавторів, окрім MIT, є співробітники з Лейденського університету, Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі, Швейцарської вищої технічної школи Цюриха та інших інституцій.

Галактичні сусіди

П′ять нещодавно відкритих квазарів є одними з найстаріших квазарів, спостережуваних на сьогодні. Вважається, що ці об′єкти віком понад 13 мільярдів років утворилися між 600 і 700 мільйонами років після Великого вибуху. Надмасивні чорні діри, що живлять квазари, в мільярд разів масивніші за Сонце та більш ніж у трильйон разів яскравіші. Завдяки своїй надзвичайній яскравості світло від кожного квазара здатне подорожувати протягом віку Всесвіту, достатньо далеко, щоб досягти високочутливих детекторів JWST сьогодні.

"Це просто феноменально, що тепер у нас є телескоп, який може вловлювати світло 13 мільярдів років тому з такою деталізацією", - каже Ейлерс. "Вперше JWST дозволив нам поглянути на оточення цих квазарів, на те, де вони виросли та яким було їхнє сусідство".

Новини за подібною темою:

		"Вебб" показав повне кільце Ейнштейна
		В ранньому Всесвіті "Вебб" бачить галактику в тумані, що таємниче розсіюється
		"Вебб" отримав пряме зображення екзопланет і виявив у них вуглекислий газ

Команда проаналізувала зображення п′яти стародавніх квазарів, зроблені JWST між серпнем 2022 і червнем 2023 року. Спостереження за кожним квазаром складалися з декількох "мозаїчних" зображень, або часткових видів поля квазара, які команда ефективно зшила разом, щоб отримати повну картину околиць кожного квазара.

Телескоп також провів вимірювання світла в різних довжинах хвиль по полю кожного квазара, які команда потім обробила, щоб визначити, чи є даний об′єкт в полі світлом від сусідньої галактики, і наскільки далеко галактика знаходиться від набагато більш яскравого центрального квазара.

"Ми виявили, що єдина відмінність між цими п′ятьма квазарами полягає в тому, що їхнє оточення виглядає дуже по-різному", - каже Ейлерс. "Наприклад, один квазар має майже 50 галактик навколо себе, тоді як інший -- лише дві. І обидва квазари знаходяться в межах одного розміру, об′єму, яскравості та часу Всесвіту. Це було справді дивовижно побачити".

Стрибки зростання

Невідповідність квазарних полів вносить перегин у стандартну картину зростання чорних дір і формування галактик. Згідно з найкращими уявленнями фізиків про те, як з′явилися перші об′єкти у Всесвіті, космічна павутина темної матерії мала б задавати курс. Темна матерія -- це досі невідома форма матерії, яка не має жодних інших взаємодій з навколишнім середовищем, окрім гравітації.

Вважається, що незабаром після Великого вибуху ранній всесвіт утворив нитки темної матерії, які діяли як своєрідні гравітаційні дороги, притягуючи газ і пил вздовж своїх завитків. У надто щільних ділянках цієї павутини матерія накопичувалася, утворюючи більш масивні об′єкти. І найяскравіші, наймасивніші ранні об′єкти, такі як квазари, сформувалися б у регіонах найвищої щільності павутини, що також породило б багато інших, менших галактик.

"Космічна павутина темної матерії є надійним передбаченням нашої космологічної моделі Всесвіту, і її можна детально описати за допомогою чисельного моделювання", - каже співавтор дослідження Елія Піццаті, аспірант Лейденського університету. "Порівнюючи наші спостереження з цими симуляціями, ми можемо визначити, де в космічній павутині розташовані квазари".

За оцінками вчених, квазари повинні були б безперервно зростати з дуже високими темпами акреції, щоб досягти екстремальної маси й світності в той час, коли астрономи спостерігали їх, тобто менш ніж через 1 мільярд років після Великого вибуху.

"Головне питання, на яке ми намагаємося відповісти, -- як ці чорні діри масою в мільярд сонячних мас утворюються в той час, коли всесвіт ще дуже, дуже молодий? Він все ще перебуває в зародковому стані", - каже Ейлерс.

Висновки команди можуть викликати більше запитань, ніж відповідей. "Самотні" квазари, схоже, живуть у відносно порожніх регіонах космосу. Якщо космологічні моделі фізиків правильні, то в цих порожніх регіонах міститься дуже мало темної матерії, або вихідного матеріалу для утворення зірок і галактик. Як же тоді виникають надзвичайно яскраві та масивні квазари?

"Наші результати показують, що досі не вистачає значної частини пазла про те, як ростуть ці надмасивні чорні діри", - каже Ейлерс. "Якщо навколо деяких квазарів недостатньо матеріалу для безперервного зростання, це означає, що має бути якийсь інший спосіб їхнього зростання, який нам ще належить з′ясувати".

• телескоп Вебба
• Квазари