Астрономы обнаружили древние одинокие квазары с непонятным происхождением

Обнаружены квазары с малым количеством видимых космических соседей, что вызывает вопросы о том, как они впервые появились более 13 миллиардов лет назад.

Об этом рассказывают в Массачусетском технологическом институте (MIT), передают OstanniPodii.com.

Квазар -- это чрезвычайно яркое ядро галактики, в центре которого находится активная сверхмассивная черная дыра. Когда черная дыра втягивает окружающий газ и пыль, во время этого процесса излучается огромное количество энергии, что делает квазары одними из самых ярких объектов во Вселенной. Квазары наблюдали уже через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, и до сих пор остается загадкой, как эти объекты могли стать такими яркими и массивными за такой короткий промежуток космического времени.

Ученые предполагают, что древнейшие квазары возникли из чрезмерно плотных областей первоначальной материи, которая также могла вызвать появление многих меньших галактик в окружении квазаров. Но в новом исследовании под руководством MIT астрономы наблюдали некоторые древние квазары, которые оказались на удивление одинокими в ранней Вселенной.

Астрономы использовали космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), чтобы заглянуть в прошлое, на более чем 13 миллиардов лет, и изучить космическое окружение пяти известных древних квазаров. Они обнаружили удивительное разнообразие в их окрестностях, или "квазарных полях". В то время как некоторые квазары находятся в очень переполненных полях с более чем 50 соседними галактиками, как и предсказывают все модели, остальные квазары, кажется, дрейфуют в пустотах, и лишь несколько заблудших галактик находятся вблизи них.

Эти одинокие квазары бросают вызов пониманию физиками того, как такие яркие объекты могли сформироваться так рано во Вселенной при отсутствии значительного источника окружающей материи, которая бы подпитывала рост их черных дыр.

"Вопреки предыдущим представлениям, мы обнаружили, что в среднем эти квазары не обязательно находятся в регионах с самой высокой плотностью ранней Вселенной. Некоторые из них, кажется, находится в самой глуши", - говорит Анна-Кристина Эйлерс, доцент кафедры физики в MIT. "Трудно объяснить, как эти квазары могли вырасти такими большими, если им, как представляется, не из чего питаться".

Существует вероятность, что эти квазары могут быть не такими одинокими, как кажется, а окружены галактиками, которые сильно окутаны пылью и поэтому скрыты от глаз. Эйлерс и её коллеги надеются настроить свои наблюдения так, чтобы попытаться увидеть сквозь такую космическую пыль, чтобы понять, как квазары так быстро росли в ранней Вселенной.

Эйлерс и её коллеги сообщают о своих выводах в статье, опубликованной в Astrophysical Journal. Среди соавторов, кроме MIT, есть сотрудники из Лейденского университета, Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, Швейцарской высшей технической школы Цюриха и других институтов.

Галактические соседи

Пять недавно открытых квазаров являются одними из старейших квазаров, наблюдаемых на сегодняшний день. Считается, что эти объекты возрастом более 13 миллиардов лет образовались между 600 и 700 миллионами лет после Большого взрыва. Сверхмассивные черные дыры, питающие квазары, в миллиард раз массивнее Солнца и более чем в триллион раз ярче. Благодаря своей необычайной яркости свет от каждого квазара способен путешествовать на протяжении возраста Вселенной, достаточно далеко, чтобы достичь высокочувствительных детекторов JWST сегодня.

"Это просто феноменально, что теперь у нас есть телескоп, который может улавливать свет 13 миллиардов лет назад с такой детализацией", - говорит Эйлерс. "Впервые JWST позволил нам взглянуть на окружение этих квазаров, на то, где они выросли и каким было их соседство".

Команда проанализировала изображения пяти древних квазаров, сделанные JWST между августом 2022 и июнем 2023 года. Наблюдения за каждым квазаром состояли из нескольких "мозаичных" изображений, или частичных видов поля квазара, которые команда эффективно сшила вместе, чтобы получить полную картину окрестностей каждого квазара.

Телескоп также провел измерения света в разных длинах волн по полю каждого квазара, которые команда затем обработала, чтобы определить, является ли данный объект в поле светом от соседней галактики, и насколько далеко галактика находится от гораздо более яркого центрального квазара.

"Мы обнаружили, что единственное различие между этими пятью квазарами заключается в том, что их окружение выглядит очень по-разному", - говорит Эйлерс. "Например, один квазар имеет почти 50 галактик вокруг себя, тогда как другой -- только две. И оба квазара находятся в пределах одного размера, объема, яркости и времени Вселенной. Это было действительно удивительно увидеть".

Скачки роста

Несоответствие квазарных полей вносит перегиб в стандартную картину роста черных дыр и формирования галактик. Согласно лучшим представлениям физиков о том, как появились первые объекты во Вселенной, космическая паутина темной материи должна была бы задавать курс. Темная материя -- это до сих пор неизвестная форма материи, которая не имеет никаких других взаимодействий с окружающей средой, кроме гравитации.

Считается, что вскоре после Большого взрыва ранняя вселенная образовала нити темной материи, которые действовали как своеобразные гравитационные дороги, притягивая газ и пыль вдоль своих завитков. В слишком плотных участках этой паутины материя накапливалась, образуя более массивные объекты. И самые яркие, самые массивные ранние объекты, такие как квазары, сформировались бы в регионах самой высокой плотности паутины, что также породило бы много других, меньших галактик.

"Космическая паутина темной материи является надежным предсказанием нашей космологической модели Вселенной, и её можно подробно описать с помощью численного моделирования", - говорит соавтор исследования Элия Пиццати, аспирант Лейденского университета. "Сравнивая наши наблюдения с этими симуляциями, мы можем определить, где в космической паутине расположены квазары".

По оценкам ученых, квазары должны были бы непрерывно расти с очень высокими темпами аккреции, чтобы достичь экстремальной массы и светимости в то время, когда астрономы наблюдали их, то есть менее чем через 1 миллиард лет после Большого взрыва.

"Главный вопрос, на который мы пытаемся ответить, -- как эти черные дыры массой в миллиард солнечных масс образуются в то время, когда вселенная еще очень, очень молодая? Она все еще находится в зачаточном состоянии", - говорит Эйлерс.

Выводы команды могут вызвать больше вопросов, чем ответов. "Одинокие" квазары, похоже, живут в относительно пустых регионах космоса. Если космологические модели физиков правильны, то в этих пустых регионах содержится очень мало темной материи, или исходного материала для образования звезд и галактик. Как же тогда возникают чрезвычайно яркие и массивные квазары?

"Наши результаты показывают, что до сих пор не хватает значительной части пазла о том, как растут эти сверхмассивные черные дыры", - говорит Эйлерс. "Если вокруг некоторых квазаров недостаточно материала для непрерывного роста, это означает, что должен быть какой-то другой способ их роста, который нам еще предстоит выяснить".

• телескоп Уэбба
• Квазары