Квазар на космічному світанку мерехтить на горизонті

Астрономи виявили мерехтливий квазар під назвою J0439+1634, який з'явився лише через 850 мільйонів років після Великого вибуху. Це відкриття піднімає нові питання про формування чорних дір та їхню активність у ранньому Всесвіті. Мерехтливе світло цього далекого космічного маяка показало, що чорна діра в центрі квазара має плоский, млиноподібний акреційний диск. Ця форма є більш звичною для сучасних квазарів, що змушує астрономів задуматися, як ці об'єкти змогли так швидко сформуватися в молодому космосі?

Відкриття представляє собою найраніший мерехтливий квазар, виявлений на сьогодні, за словами Джина Леунга з Інституту астрофізики та космічних досліджень MIT. "Хоча було знайдено багато квазарів у космічному світанку, це перший раз, коли ми насправді бачимо один, що мерехтить," - сказав він.

J0439+1634 вперше з'явився на зображенні HST далекої галактики, що лінзується передньою галактикою. Це зображення показує, як він виглядав 12,8 мільярдів років тому, незабаром після Великого вибуху (13,8 мільярдів років тому).

Супермасивні чорні діри через час

Квазар J0439+1634 має супермасивну чорну діру в своєму центрі, яка в мільярди разів масивніша за наше Сонце. По суті, це двигун, що живить квазар. Той факт, що у нього є плоский акреційний диск, є загадковим, оскільки астрономи завжди вважали, що така структура означає, що чорна діра осіла в відносно спокійному стані. Чорні діри, які тільки починають формуватися, як ті, що в дуже ранньому Всесвіті, повинні бути більш неспокійними системами, з акреційними дисками, які виглядають більш пухкими та хаотичними.

Активна чорна діра всмоктує матеріал з навколишнього простору через структуру у формі вихору, що містить газ і пил високої температури. Коли цей космічний матеріал накопичується і падає на чорну діру, він освітлює її околиці, випромінюючи величезну кількість енергії. У багатьох квазарах струмені енергійованого матеріалу виходять у космос. Яскравість матеріалу - це те, що ми бачимо, коли дивимося на квазар. "Я думаю, що це свідчить про те, що всі брудні, дуже швидкі фази зростання, через які ми очікуємо, що всі чорні діри проходять в якийсь момент, відбуваються дуже-дуже рано, перш ніж ми бачимо їх як ці дуже яскраві люмінесцентні квазари," - говорить Анна-Крістіна Ейлерс, доцент фізики в MIT. "Це картина, яка виникає."

На додаток до освітлення найближчих регіонів, активність чорної діри може впливати на формування зірок, а також на форму галактики з часом. "Без супермасивних чорних дір жодна галактика не виглядала б так, як сьогодні," - сказала Ейлерс. "Чорні діри відіграють важливу роль у формуванні вигляду галактичних екосистем."

Виявлення мерехтіння

Астрономи припускали, що перші галактики потребують близько мільярда років, щоб осісти у своїх зрілих формах. Якщо це правда, ніхто не очікував би побачити супермасивні чорні діри в їхніх центрах. Але Всесвіт не завжди відповідає припущенням. Спостерігачі виявили більше 200 супермасивних чорних дір у перші мільярди років раннього Всесвіту. Вони з'являються як маленькі точки надзвичайно яскравого світла, що означає, що вони були активними та зростаючими.

На відстані, на якій лежать ранні квазари, досить важко виявити щось більше, ніж їхню яскравість. Щоб зрозуміти, якими є їхні околиці, корисно мати мерехтливе світло. Це тому, що мерехтіння квазара може дати підказки про активність його акреційного диска.

Щоб виявити мерехтіння у J0439+1634, команді довелося подолати технічні труднощі відстані та червоного зміщення. Щоб виявити мерехтливий квазар з космічного світанку, команді потрібно було спостерігати за далеким Всесвітом на червоніших довжинах хвиль (через розтягування світла внаслідок розширення Всесвіту). Вони зосередилися на інфрачервоному спектрі та протягом тривалих часових масштабів у кілька років. Вони звернулися до даних місії NEOWISE, яка сканувала небо близько 14 років. Після повторної обробки даних астрономи виявили мерехтіння у J0439+1634. На основі свого аналізу наукова команда оцінила, що J0439+1634 яскравий, як 12 трильйонів сонць, і мерехтить з яскравістю близько 2 трильйонів сонць. Вони також відстежили форму акреційного диска і виявили, що вона дуже схожа на більш "сучасні" квазари.

"Це надає прямі докази того, що ті ж процеси живлення та структури, що спостерігаються в найближчому Всесвіті, вже існували на дуже ранніх етапах, незважаючи на дуже різні космічні середовища, які ніколи раніше не були спостережені," - сказала Ейлерс.

Отримання нових знань про ранній космос

Зображення Webb двох ранніх і дуже далеких галактик. Галактики лежать мільярди світлових років за межами кластера Abell 2744 (який їх лінзує). Галактика з позначкою 1 показана так, як вона виглядала 450 мільйонів років після Великого вибуху; галактика з позначкою 2 з'являється так, як вона виглядала 350 мільйонів років після Великого вибуху. Це не були їхні остаточні форми. Чи можуть всередині них формуватися супермасивні чорні діри, формуючи їхню еволюцію? Кредит: NASA, ESA, CSA, Томмазо Треу (UCLA); Обробка зображення: Золтан Левай (STScI)

Щоб все це поставити в перспективу, вважається, що перші галактики почали формуватися протягом першого мільярда років після Великого вибуху. Сьогодні ми знаємо, що супермасивна чорна діра знаходиться в більшості (якщо не в усіх) галактик. Проте астрономи також вважають, що створення супермасивної чорної діри займає мільярди років. Поява досить зрілої чорної діри в J0439+1634 у час, коли Всесвіт був лише 850 мільйонів років, піднімає багато питань.

"Це означає, що щось сталося навіть раніше, що призвело до того, що ці системи виглядали так зріло," - додає Леунг. Що таке "щось" залишається предметом дослідження. Щоб це зробити, астрономам потрібно заглянути ще далі в історію, до часу, коли галактика, що містить квазар, тільки починала формуватися.