Благодаря значительно улучшенным возможностям современных телескопов, астрономы все глубже изучают космос и возвращаются в прошлое. При этом им удалось раскрыть некоторые давние загадки о том, как развивалась Вселенная после Большого взрыва. Одна из этих загадок заключается в том, как сверхмассивные черные дыры (SMBH), которые играют решающую роль в эволюции галактик, образовались во время ранней Вселенной.
Используя очень большой телескоп ESO в Чили, международная группа астрономов наблюдала галактики, которые появились примерно через 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва (около 12,5 миллиарда лет назад). Удивительно, но они наблюдали большие резервуары холодного газообразного водорода, которые могли бы обеспечить достаточный «источник пищи» для МСПД. Эти результаты могут объяснить, как SMBH росли так быстро в течение периода, известного как Космический Рассвет.
Группу возглавлял доктор Эмануэле Паоло Фарина из Института астрономии им. Макса Планка (MPIA) и Института астрофизики им. Макса Планка (MPA). К нему присоединились исследователи из MPIA и MPA, Европейской южной обсерватории (ESO), Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, Арчетрийской астрофизической обсерватории, Болонской астрофизической и космической обсерватории и Института внеземной физики Макса Планка (MPEP).
В течение десятилетий астрономы изучали SMBH, которые существуют в ядре большинства галактик и идентифицируются по их активным ядрам галактики (AGN). Эти ядра, также известные как квазары, могут излучать больше энергии и света, чем остальные звезды в галактике вместе взятые. На сегодняшний день наиболее удаленным из наблюдаемых является ULAS J1342 + 0928, который находится на расстоянии 13,1 миллиарда световых лет.
Учитывая, что первые звезды, по оценкам, сформировались всего через 100 000 лет после Большого взрыва (около 13,8 миллиардов лет назад), это означает, что SMBH должны были сформироваться быстро от первых звезд, чтобы умереть. До сих пор, однако, астрономы не находили пыль и газ в достаточно больших количествах во время ранней Вселенной, чтобы объяснить этот быстрый рост.
Кроме того, предыдущие наблюдения, проведенные с помощью большой миллиметровой / субмиллиметровой матрицы Atacama (ALMA), показали, что в ранних галактиках было много пыли и газа, которые способствовали быстрому образованию звезд. Эти результаты показали, что не осталось большого количества материала для питания черных дыр, что только углубило загадку того, как они тоже росли так быстро.
Для решения этой проблемы Фарина и его коллеги использовали данные, собранные прибором VLT Multi Unit Spectroscopic Explorer (MUSE), для обследования 31 квазара на расстоянии около 12,5 миллиардов световых лет (таким образом наблюдая за тем, как они выглядели 12,5 миллиардов лет назад). Это делает их обзор одной из самых больших выборок квазаров этого раннего периода Вселенной. Они обнаружили 12 протяженных и удивительно плотных водородных облаков.
Эти водородные облака были идентифицированы по их характерному свечению в ультрафиолетовом свете. Учитывая расстояние и эффект красного смещения (когда длина волны света растягивается из-за космического расширения), земные телескопы воспринимают свечение как красный свет. Как объяснила Фарина в пресс-релизе MPIA:
“Наиболее вероятным объяснением сияющего газа является механизм флуоресценции. Водород преобразует богатое энергией излучение квазара в свет с определенной длиной волны, что заметно по проблеску.”
Облака холодного плотного водорода, который в несколько миллиардов раз превышал массу Солнца, образовывали гало вокруг ранних галактик, которые простирались на 100 000 световых лет от центральных черных дыр. Обычно обнаружить такие облака вокруг квазаров (которые очень яркие) довольно сложно. Но благодаря чувствительности инструмента MUSE, который Фарина назвала «изменителем игры», команда нашла их довольно быстро.
Как сказала Алисса Дрейк, исследователь из MPIA, которая также внесла свой вклад в исследование:
“С текущими исследованиями мы только начинаем исследовать, как первые сверхмассивные черные дыры смогли развиваться так быстро. Но новые инструменты, такие как MUSE и будущий космический телескоп Джеймса Вебба, помогают нам решать эти захватывающие головоломки.”
Команда обнаружила, что эти газовые гало тесно связаны с галактиками, обеспечивая идеальный «источник пищи» для поддержания быстрого образования звезд и роста сверхмассивных черных дыр. Эти наблюдения эффективно раскрывают тайну того, как сверхмассивные черные дыры могли существовать так рано в истории Вселенной. Как Фарина резюмирует это:
“Теперь мы можем впервые продемонстрировать, что в изначальных галактиках достаточно пищи, чтобы выдержать как рост сверхмассивных черных дыр, так и интенсивное звездообразование.. Это добавляет фундаментальную часть головоломки, которую астрономы строят, чтобы представить, как космические структуры образовались более 12 миллиардов лет назад.”
В будущем у астрономов появятся еще более совершенные приборы для изучения галактик и малых и средних предприятий в ранней Вселенной, которые должны раскрыть еще больше деталей о древних газовых облаках. К ним относятся чрезвычайно большой телескоп ESO (ELT), а также космические телескопы, такие как космический телескоп Джеймса Вебба (JWST).
Исследование, описывающее выводы команды, появилось в выпуске журнала от 20 декабря Астрофизический Журнал.
