В первый год работы космический телескоп имени Джеймса Уэбба сделал несколько значимых открытий. Он получил самые чёткие изображения знаковых космических структур (например, Столпов Творения), спектры пропускания атмосфер экзопланет и захватывающие виды Юпитера, его крупнейших лун, колец Сатурна, его крупнейшей луны Титана и шлейфов Энцелада. Но в первый год наблюдений «Уэбб» сделал неожиданную находку, которая может оказаться прорывной: серию маленьких красных точек в крошечной области ночного неба.
Эти маленькие красные точки были обнаружены в рамках обзоров «Уэбба» «Галактики с эмиссионными линиями и межгалактический газ в эпоху реионизации» (EIGER) и «Спектроскопически полные наблюдения первой эпохи реионизации» (FRESCO). Согласно новому анализу, проведённому международной группой астрофизиков, эти точки являются галактическими ядрами, содержащими предшественников сверхмассивных чёрных дыр (СМЧД), существовавших в ранней Вселенной. Существование этих чёрных дыр вскоре после Большого взрыва может изменить наше представление о том, как формировались первые СМЧД в нашей Вселенной.
Исследование возглавил Джоррит Матти, доцент кафедры астрофизики Австрийского института науки и технологий (ISTA) и Высшей технической школы Цюриха. К нему присоединились учёные из Института астрофизики и космических исследований имени Кавли Массачусетского технологического института, Центра космического рассвета (DAWN), Национальной астрономической обсерватории Японии (NAOJ), Института Нильса Бора, Института астрономии Макса Планка (MPIA), Центра астробиологии (CAB), а также многочисленных университетов и обсерваторий. Результаты их работы были опубликованы в журнале The Astrophysical Journal.
Учёные уже давно знают, что сверхмассивные чёрные дыры находятся в центре большинства массивных галактик. И если одни из них находятся в состоянии относительного покоя, как СМЧД, расположенная в центре Млечного Пути (Стрелец А*), то другие чрезвычайно активны и растут, набирая по нескольку масс Солнца в год. Эти быстрорастущие чёрные дыры служат причиной активности особенно ярко светящихся активных галактических ядер (AGN) — или квазаров, — которые становятся настолько яркими, что на время затмевают все звёзды в своём диске, самые яркие из которых известны как квазары.
Квазары — одни из самых ярких объектов, известных астрономам, и их можно увидеть на самом краю нашей расширяющейся Вселенной. Однако в последние годы астрономы заметили несколько квазаров и СМЧД в ранней Вселенной, и те оказались больше, чем предсказывают космологические модели. Как объяснил Мэтти в недавнем пресс-релизе ISTA:
«Одна из проблем с квазарами заключается в том, что некоторые из них кажутся слишком массивными для того возраста Вселенной, в котором наблюдаются квазары. Мы называем их «проблемными квазарами». Если учесть, что квазары возникают в результате взрывов массивных звёзд и что мы знаем их максимальную скорость роста из общих законов физики, то некоторые из них выглядят так, будто они росли быстрее, чем это возможно. Это всё равно что встретить пятилетнего ребёнка ростом в два метра. Что-то не сходится».
Мати и его команда обнаружили популяцию маленьких красных точек, изучая снимки, полученные в ходе обзоров EIGER и FRESCO — крупной и средней кампаний первого года работы Уэбба, в которых Мати принимал участие. Кампания EIGER была специально разработана для поиска редких голубых сверхмассивных квазаров и их окружения, а не для поиска квазаров в ранней Вселенной. Однако камера ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) «Уэбба» может получать спектры излучения всех объектов в известной Вселенной. Эти объекты ранее наблюдались Хабблом и были приняты за обычные галактики.
Но благодаря разрешению NIRCam команда под руководством ISTA почти случайно идентифицировала их как СМЧД. По словам Мэти, это случайное открытие может иметь глубокие последствия для астрономии и космологии:
«Не будучи разработанным для этой конкретной цели, «Уэбб» помог нам определить, что тусклые маленькие красные точки, обнаруженные в очень далёком прошлом Вселенной, являются маленькими версиями чрезвычайно массивных чёрных дыр. Эти особые объекты могут изменить наши представления о происхождении чёрных дыр. Полученные результаты могут ещё на один шаг приблизить нас к ответу на одну из величайших дилемм в астрономии: Согласно существующим моделям, некоторые сверхмассивные чёрные дыры в ранней Вселенной просто росли «слишком быстро». Тогда как же они образовались?»
Команда смогла провести различие между галактиками и небольшими квазарами благодаря тому, что NIRCam обнаружил линии глубокого красного излучения (они же спектральные линии Hα), которые образуются при нагревании атомов водорода. Они также обнаружили, что наблюдаемые линии имеют широкий профиль, который они использовали для отслеживания движения горячего водородного газа. «Чем шире основание линий Hα, тем выше скорость газа», — говорит Мэти. «Таким образом, эти спектры говорят нам о том, что перед нами очень маленькое газовое облако, которое движется очень быстро и вращается вокруг чего-то очень массивного, например СМЧД».
Не менее важны и значения красного смещения, полученные ими для этих SMBG (Z= 4,2-5,5), которые указывают на то, что эти объекты существовали более 12 миллиардов лет назад — примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва. Кроме того, они заметили, что эти СМЧД не были слишком массивными, как те, что видны в близлежащих галактиках сегодня. Как отметил Мэти:
«В то время как «проблемные квазары» — голубые, чрезвычайно яркие и достигают массы, в миллиарды раз превышающей массу Солнца, маленькие красные точки больше похожи на «детские квазары». Их масса лежит в диапазоне от десяти до ста миллионов солнечных масс. Кроме того, они кажутся красными, потому что запылены. Пыль заслоняет чёрные дыры и окрашивает их в красный цвет».
В конце концов, поток водородного газа пробьёт облака пыли и газа, которые окружают и скрывают массивные чёрные дыры («пылевой кокон»), и эти небольшие СМЧД эволюционируют в гораздо более крупные. Таким образом, Мэти и его команда предположили, что маленькие красные точки — это маленькие красные версии гигантских голубых СМЧД на стадии, предшествующей появлению «проблемных квазаров». Благодаря последующим наблюдениям астрономы смогут провести детальное изучение этих маленьких СМЧД, что может привести к лучшему пониманию того, как возникают проблемные квазары.
«Чёрные дыры и СМЧД — возможно, самые интересные явления во Вселенной. Трудно объяснить, почему они там есть, но они там есть», — заключил Мэти. «Мы надеемся, что эта работа поможет нам приподнять одну из самых больших завес тайны о Вселенной».
