Раскрытие тайн ранней Вселенной — одна из основных задач «Уэбба». Поиск и изучение первых галактик — важная часть его работы. Одна из первых галактик Вселенной обладает необычайной яркостью, и исследователи задались вопросом, почему. Похоже, что «Уэбб» нашёл ответ.
Галактика, о которой идёт речь, называется GN-z11, и она существовала, когда Вселенной было менее полумиллиарда лет. Впервые «Хаббл» заметил её в 2016 году при помощи космического телескопа «Спитцер». На тот момент это была самая далёкая и древняя галактика из когда-либо обнаруженных. В статье, сообщающей об открытии, авторы пишут: «GN-z11 — светящаяся и молодая, но при этом умеренно массивная, что предполагает быстрое накопление звёздной массы в прошлом».
Они также пишут: «Будущие объекты смогут найти прародителей таких галактик на более высоких красных смещениях и исследовать космическую эпоху начала реионизации». Сейчас «Уэбб» как раз находится в процессе выполнения такой миссии. Кроме того, он присмотрелся и к GN-z11.
Первооткрыватели предположили, что высокая светимость галактики может быть вызвана активным галактическим ядром, но не были уверены в этом. Новое исследование, основанное на наблюдениях «Уэбба», показывает, что они были правы. Похоже, что светимость галактики исходит от сверхмассивной чёрной дыры (СЧД) в центре галактики, которая освещает её, активно накапливая материю. Один из характерных признаков — скопление газа вблизи СЧД.
«Мы обнаружили чрезвычайно плотный газ, который часто встречается в окрестностях сверхмассивных чёрных дыр, аккрецирующих газ», — пояснил главный исследователь Роберто Майолино из Кавендишской лаборатории и Института космологии Кавли Кембриджского университета (Великобритания). «Это были первые явные признаки того, что в GN-z11 находится чёрная дыра, которая поглощает материю».
Учёные знают, что область вблизи СЧД чрезвычайно горячая и что там образуются газовые сгустки. Мощная гравитация дыры создаёт вблизи неё вращающийся аккреционный диск, и вещество в диске может разогнаться до релятивистских скоростей. На таких скоростях молекулы сталкиваются и испытывают трение. При этом выделяется тепло, температура которого может достигать миллионов градусов. Экстремальное тепло гонит газ наружу с чрезвычайно высокими скоростями, но оно же может привести к образованию плотных сгустков, подобных тому, что «Уэбб» обнаружил в GN-z11.
У сгустков нет металличности (элементов тяжелее гелия), так что, скорее всего, они имеют первозданную природу, и не загрязнены более тяжёлыми элементами, которые могли бы появиться только в последующих поколениях звёзд.
Мы никогда не видели первых звёзд Вселенной — звёзд населения III. Но, будучи самыми первыми звёздами, они сформировались из водорода и гелия — всего, что было доступно в то время. Поиск этих первых звёзд — важная цель в астрономии, поэтому обнаружение таких же нетронутых сгустков очень важно. Газовые сгустки, обнаруженные «Уэббом», также состоят только из водорода и гелия, поэтому они могут быть предшественниками формирования звёзд III популяции.
«Тот факт, что мы не видим ничего, кроме гелия, говорит о том, что этот сгусток должен быть довольно чистым», — сказал Майолино. «Это то, что ожидалось теорией и моделированием в окрестностях особенно массивных галактик этих эпох — в гало должны быть очаги нетронутого газа, которые могут разрушиться и сформировать звёздные скопления популяции III».
Ещё два доказательства подтверждают гипотезу о чёрных дырах. Аккрецирующие чёрные дыры производят ионизированные химические элементы, и «Уэбб» нашёл доказательства этого. Мощный космический телескоп также обнаружил сильные ветры со скоростью 800-1000 км/с-1 вблизи чёрной дыры — ещё один результат процессов, происходящих в активно аккрецирующих чёрных дырах. (Некоторые редкие вспыхивающие галактики также могут создавать мощные ветры, но в них меньше ионизации).
NIRCam (камера ближнего инфракрасного диапазона) «Уэбба» обнаружила протяжённый компонент, указывающий на галактику-хозяина, и центральный компактный источник, цвета которого соответствуют цветам аккреционного диска, окружающего чёрную дыру, — говорит исследователь Ханна Юблер, также из Кавендишской лаборатории и Института Кавли.
То, что в центре GN-z11 находится чёрная дыра и её аккреционный диск, не вызывает особых сомнений. Но тот факт, что экстремальная светимость этой галактики обеспечивается чёрной дырой, вызывает интересные вопросы. Они связаны с семенами чёрных дыр и скоростью Эддингтона.
Учёные считают, что чёрные дыры в ранней Вселенной могли образоваться не так, как чёрные дыры звёздной массы, которые формируются, когда звезда разрушается под действием собственной гравитации. Вместо этого древние чёрные дыры образовались из зародышей — скоплений материи, достаточно массивных для того, чтобы коллапсировать непосредственно в чёрные дыры. Могут существовать большие, промежуточные и малые чёрные дыры. Исследователи, получившие эти результаты, пишут, что чёрная дыра «…аккрецирует со скоростью, примерно в пять раз превышающей скорость Эддингтона. Эти свойства согласуются как со сценариями с тяжёлыми зародышами, так и со сценариями с промежуточными и лёгкими зародышами, испытывающими эпизодические суперэддингтоновские фазы».
Скорость Эддингтона — это скорость, с которой чёрная дыра должна накапливать вещество, чтобы достичь предела Эддингтона. Предел Эддингтона — это максимальная светимость, которой может достичь объект, пока его внешняя сила излучения равна его внутренней силе гравитации.
Но чёрные дыры могут превышать предел Эддингтона во время суперэддингтоновских эпизодов. Эти эпизоды могут объяснить быстрое появление СЧД в первые миллиарды лет существования Вселенной. Эпизоды супер-Эддингтона связаны с радиационно неэффективной аккрецией и часто сопровождаются мощными вылетающими ветрами и струями.
Если исследователи правы, то они разгадали тайну этой чрезвычайно древней и чрезвычайно светящейся галактики. «Наша находка объясняет высокую светимость GN-z11…», — пишут авторы.
