Квазар на космическом рассвете мерцает на горизонте

Астрономы обнаружили мерцающий квазар под названием J0439+1634, который появился всего через 850 миллионов лет после Большого взрыва. Это открытие ставит новые вопросы о формировании черных дыр и их активности в ранней Вселенной. Мерцающий свет этого далекого космического маяка показал, что черная дыра в сердце квазара имеет плоский аккреционный диск в форме блина. Эта форма более привычна для современных квазаров, что заставляет астрономов задуматься, как эти объекты смогли так быстро сформироваться в младенческой космосе?

Открытие представляет собой самый ранний мерцающий квазар, обнаруженный на сегодняшний день, по словам Джина Люнга из Института астрофизики и космических исследований Кавли при MIT. "Хотя было найдено много квазаров на космическом рассвете, это первый случай, когда мы действительно видим один, который мерцает," — сказал он.

J0439+1634 впервые появился на изображении HST далекой галактики, которую линзировала передняя галактика. Этот вид показывает, как он выглядел 12,8 миллиарда лет назад, вскоре после Большого взрыва (13,8 миллиарда лет назад).

Супермассовые черные дыры сквозь время

Квазар J0439+1634 имеет супермассовую черную дыру в своем сердце, которая в миллиарды раз массивнее нашего Солнца. По сути, это двигатель, который питает квазар. Тот факт, что у него есть плоский аккреционный диск, вызывает недоумение, поскольку астрономы всегда считали, что такая структура означает, что черная дыра успокоилась в относительно спокойном состоянии. Черные дыры, которые только начинают формироваться, как те, что в очень ранней Вселенной, должны быть более неустойчивыми системами, с аккреционными дисками, которые выглядят более пухлыми и хаотичными.

Активная черная дыра поглощает материал из окружающего пространства через структуру в форме водоворота, содержащую газ и пыль высокой температуры. Когда этот космический материал накапливается и падает на черную дыру, он освещает окрестности, излучая огромное количество энергии. Во многих квазарах струи заряженного материала вырываются в космос. Яркость этого материала — это то, что мы видим, когда смотрим на квазар. "Я думаю, что это предполагает, что все беспорядочные, очень быстрые фазы роста, через которые, как мы ожидаем, проходят все черные дыры, происходят очень-очень рано, прежде чем мы увидим их как эти очень яркие светящиеся квазары," — говорит Анна-Кристина Эйлерс, доцент физики в MIT. "Вот такая картина возникает."

Кроме того, что освещает близлежащие регионы, активность черной дыры может влиять на формирование звезд, а также на форму галактики со временем. "Без супермассовых черных дыр ни одна галактика не выглядела бы так, как она выглядит сегодня," — сказала Эйлерс. "Черные дыры играют важную роль в формировании того, как выглядят галактические экосистемы."

Обнаружение мерцания

Астрономы предполагали, что первым галактикам потребуется около миллиарда лет, чтобы принять свои зрелые формы. Если бы это было правдой, никто не ожидал бы увидеть супермассовые черные дыры в их сердцах. Но Вселенная не всегда соответствует предположениям. Наблюдатели нашли более 200 супермассовых черных дыр в первые миллиарды лет ранней Вселенной. Они проявляются как крошечные точки чрезвычайно яркого света, что означает, что они были активными и росли.

На расстоянии, на котором находятся ранние квазары, довольно сложно обнаружить что-либо, кроме их яркости. Чтобы понять, каковы их окрестности, полезно иметь мерцающий свет. Это связано с тем, что мерцание квазара может дать подсказки о активности его аккреционного диска.

Чтобы обнаружить мерцание в J0439+1634, команде пришлось преодолеть технические трудности расстояния и красного смещения. Чтобы заметить мерцающий квазар с космического рассвета, команде нужно было наблюдать за далеким космосом на более красных длинах волн (из-за растяжения света в результате расширения Вселенной). Они смотрели специально в инфракрасном спектре и на протяжении длительных временных интервалов в несколько лет. Они обратились к данным миссии NEOWISE, которая сканировала небо около 14 лет. После переработки данных астрономы обнаружили мерцание в J0439+1634. На основе их анализа научная команда оценила, что J0439+1634 ярче, чем 12 триллионов солнц и мерцает с яркостью около 2 триллионов солнц. Они также проследили форму аккреционного диска и обнаружили, что она очень похожа на более "современные" квазары.

"Это предоставляет прямые доказательства того, что те же процессы питания и структуры, наблюдаемые в близлежащей Вселенной, уже существовали в очень ранние времена, несмотря на очень разные космические условия, которые никогда не были видны ранее," — сказала Эйлерс.

Получение новых знаний о раннем космосе

Изображение Webb двух ранних и очень далеких галактик. Галактики находятся на расстоянии миллиардов световых лет за кластером Abell 2744 (который линзирует их). Галактика, обозначенная 1, показана такой, какой она была 450 миллионов лет после Большого взрыва; галактика, обозначенная 2, выглядит так, как она выглядела 350 миллионов лет после Большого взрыва. Эти галактики еще не были в своей окончательной форме. Могут ли супермассовые черные дыры формироваться внутри них, формируя их эволюцию? Кредит: NASA, ESA, CSA, Томмазо Треу (UCLA); Обработка изображения: Золтан Левай (STScI)

Чтобы все это поставить в перспективу, считается, что первые галактики начали формироваться в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва. Сегодня мы знаем, что супермассовая черная дыра находится внутри большинства (если не всех) галактик. Тем не менее, астрономы также считают, что создание супермассовой черной дыры занимает миллиарды лет. Появление довольно зрелой черной дыры в J0439+1634 в то время, когда Вселенной было всего 850 миллионов лет, вызывает множество вопросов.

"Это означает, что что-то произошло даже раньше, что привело к тому, что эти системы выглядят так зрелыми," — добавляет Люн. Что именно это "что-то" остается предметом изучения. Для этого астрономам нужно заглянуть еще дальше в историю, в то время, когда галактика, в которой находится квазар, только начинала формироваться.