За последние несколько десятилетий астрономы смогли заглянуть во Вселенную дальше (а также назад во времени), почти до самого начала Вселенной. При этом они многое узнали о некоторых из самых ранних галактик во Вселенной и их последующей эволюции. Тем не менее, все еще есть некоторые вещи, которые все еще недоступны, например, когда впервые появились галактики со сверхмассивными черными дырами (SMBH) и массивными джетами.
Согласно недавним исследованиям Международной школы перспективных исследований (SISSA) и команды астрономов из Японии и Тайваня, они дают новое понимание того, как сверхмассивные черные дыры начали формироваться всего через 800 миллионов лет после Большого взрыва, а релятивистские джеты - менее чем через 2 миллиарда лет. после. Эти результаты являются частью растущего примера, который показывает, как массивные объекты в нашей Вселенной сформировались раньше, чем мы думали.
Астрономы знают о SMBH более полувека. Со временем они осознали, что большинство массивных галактик (включая Млечный Путь) имеют их в своих ядрах. Роль, которую они играют в эволюции галактик, также была предметом исследования, и современные астрономы пришли к выводу, что они напрямую связаны со скоростью звездообразования в галактиках.
Точно так же астрономы обнаружили, что SMBH имеют плотные аккреционные диски вокруг себя, где газ и пыль ускоряются, приближаясь к скорости света. Это приводит к тому, что центр некоторых галактик становится настолько ярким - так называемые активные галактические ядра (AGN) - что они затмевают звезды в своих дисках. В некоторых случаях эти аккреционные диски также приводят к образованию струй горячего материала, которые можно увидеть за миллиарды световых лет.
Согласно традиционным моделям, у галактик не было достаточно времени для развития центральных черных дыр, когда Вселенной было менее миллиарда лет (около 13 миллиардов лет назад). Однако недавние наблюдения показали, что в то время в центре галактик уже образовывались черные дыры. В связи с этим группа ученых из SISSA предложила новую модель, которая предлагает возможное объяснение.
За их исследование, которым руководил Люмен Боко - доктор философии. студент из Института фундаментальной физики Вселенной (IFPU) - команда начала с известного факта, что SMBH растут в центральных областях ранних галактик. Эти объекты, прародители эллиптических галактик сегодня, имели очень высокую концентрацию газа и чрезвычайно интенсивную скорость образования новой звезды.
Первые поколения звезд в этих галактиках были недолговечными и быстро превратились в черные дыры, которые были относительно небольшими, но значительными по количеству. Плотный газ, окружавший их, привел к значительному динамическому трению и заставил их быстро мигрировать в центр галактики. Именно здесь они слились, чтобы создать семена сверхмассивных черных дыр, которые постепенно росли со временем.
Как объяснила исследовательская группа в недавнем пресс-релизе SISS:
«Согласно классическим теориям, сверхмассивная черная дыра растет в центре галактики, захватывая окружающую материю, главным образом газ,« выращивая ее »на себе и, наконец, пожирая ее в ритме, пропорциональном ее массе. По этой причине на начальных этапах своего развития, когда масса черной дыры мала, рост очень медленный. В той степени, в которой, согласно расчетам, для достижения наблюдаемой массы, в миллиарды раз превышающей массу Солнца, потребуется очень много времени, даже больше, чем возраст молодой Вселенной ».
Однако оригинальная математическая модель, которую они разработали, показала, что процесс формирования центральных черных дыр может быть очень быстрым на начальных этапах. Это не только объясняет существование семян SMBH в ранней Вселенной, но и позволяет согласовать время их роста с известным возрастом Вселенной.
Короче говоря, их исследование показало, что процесс миграции и слияния ранних черных дыр может привести к созданию зародыша SMBH от 10 000 до 100 000 солнечных масс всего за 50-100 миллионов лет. Как объяснила команда:
«Рост центральной черной дыры в соответствии с вышеупомянутой прямой аккрецией газа, предусмотренной стандартной теорией, станет очень быстрым, потому что количество газа, которое он сможет привлечь и поглотить, станет огромным и будет преобладать на процесс, который мы предлагаем. Тем не менее, именно факт появления из такого большого семени, как предусмотрено нашим механизмом, ускоряет глобальный рост сверхмассивной черной дыры и позволяет ее формированию, в том числе и в молодой вселенной. Короче говоря, в свете этой теории мы можем утверждать, что через 800 миллионов лет после Большого взрыва сверхмассивные черные дыры уже могли заселить Космос ».
В дополнение к предложению рабочей модели для наблюдаемых семян SMBH, команда также предложила метод для его тестирования. С одной стороны, существуют гравитационные волны, которые могут вызвать эти слияния, которые можно было бы идентифицировать с помощью детекторов гравитационных волн, таких как Advanced LIGO / Virgo, и которые будут характеризоваться будущим телескопом Эйнштейна.
Кроме того, последующие фазы разработки SMBH могут быть исследованы такими миссиями, как космическая антенна лазерного интерферометра ESA (LISA), запуск которой ожидается к 2034 году. Аналогичным образом, другая группа астрономов недавно использовала Atacama. Большой миллиметровый / субмиллиметровый массив (ALMA) для решения еще одной загадки о галактиках, поэтому у одних есть джеты, а у других - нет.
Эти быстро движущиеся потоки ионизованного вещества, которые движутся с релятивистскими скоростями (доля скорости света), наблюдались в центре некоторых галактик. Эти джеты были связаны со скоростью звездообразования в галактике из-за того, как они изгоняют материю, которая в противном случае разрушилась бы, образуя новые звезды. Другими словами, эти джеты играют роль в эволюции галактик, так же, как SMBH.
По этой причине астрономы стремились узнать больше о том, как струи черных дыр и газообразные облака взаимодействовали с течением времени. К сожалению, было трудно наблюдать такие взаимодействия во время ранней Вселенной. Используя массив Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), команде астрономов удалось получить первое разрешенное изображение возмущенных газовых облаков, исходящих от очень далекого квазара.
Исследование, которое описывает их результаты, проведенное профессором Кайки Таро Иноуэ из Университета Киндай, недавно появилось в Astrophysical Journal Letters. Как объяснил Иноуэ и его коллеги, данные ALMA выявили молодые биполярные струи, исходящие от MG J0414 + 0534, квазара, расположенного примерно в 11 миллиардах световых лет от Земли. Эти результаты показывают, что галактики с SMBH и джетами существовали, когда Большому взрыву было менее 3 миллиардов лет.
В дополнение к ALMA, команда опиралась на технику, известную как гравитационное линзирование, где гравитация галактики, проходящей мимо, увеличивает свет, исходящий от удаленного объекта. Благодаря этому «космическому телескопу» и высокому разрешению ALMA команда смогла наблюдать возмущенные газообразные облака вокруг MG J0414 + 0534 и определить, что они были вызваны молодыми струями, исходящими из SMBH в центре галактики.
Как сказал в своем пресс-релизе ALMA Коитиро Наканиши, доцент проекта Национальной астрономической обсерватории Японии / SOKENDAI:
«Объединив этот космический телескоп и наблюдения ALMA с высоким разрешением, мы получили исключительно четкое зрение, которое в 9000 раз лучше человеческого зрения. С этим чрезвычайно высоким разрешением мы смогли получить распределение и движение газовых облаков вокруг струй, выбрасываемых из сверхмассивной черной дыры ».
Эти наблюдения также показали, что на газ оказывалось воздействие там, где он следовал направлению струй, что приводило к сильному движению частиц и ускорению до скоростей до 600 км / с (370 м / с). Более того, эти затронутые газообразные облака и сами струи были намного меньше, чем размеры типичной галактики в этом возрасте.
Исходя из этого, команда пришла к выводу, что они наблюдают очень раннюю фазу эволюции струи в галактике MG J0414 + 0534. Если это правда, эти наблюдения позволили команде стать свидетелем ключевого эволюционного процесса в галактиках во время ранней Вселенной. Как подытожил Иноуэ:
«MG J0414 + 0534 - отличный пример молодости самолетов. Мы нашли убедительные доказательства значительного взаимодействия между струями и газообразными облаками даже в самой ранней эволюционной фазе струй. Я думаю, что наше открытие проложит путь к лучшему пониманию эволюционного процесса галактик в ранней Вселенной ».
Вместе эти исследования показывают, что два самых мощных астрономических явления во Вселенной возникли раньше, чем ожидалось. Это открытие также дает астрономам возможность исследовать, как эти явления развивались с течением времени, и какую роль они играли в эволюции Вселенной.
