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".

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".