В молодой Вселенной сверхмассивные черные дыры росли быстрее своих галактик

Квазары — активные ядра галактик. Это сверхмассивные черные дыры, уже накопившие впечатляющую массу, активно поглощающие материю и формирующие вокруг себя аккреционный диск. Из-за этих процессов диск нагревается и светится. Так сильно, что эти объекты становятся на несколько порядков ярче своих галактик. Это помогает в поиске квазаров даже в молодой Вселенной, но делает почти невозможными наблюдения за самими галактиками.

За последние пару десятилетий астрономы нашли примерно 300 квазаров, свет от которых летел к нам больше 12,8 миллиарда лет. Получается, к моменту, когда Вселенной было около одного миллиарда лет, в ней уже были черные дыры массой больше миллиарда солнц. Для сравнения: масса дыры в центре Млечного Пути — приблизительно 4,3 миллиона солнечных масс.

Наблюдения за далекими квазарами позволили разглядеть множество форм и размеров их галактик, но для оценки соотношения масс необходимо «отделить» центр от звезд. Это все равно что пытаться различить рой светлячков на фоне гигантского фонаря.

Радиотелескопы ALMA, изучавшие эти квазары, «видят» лишь холодную пыль и газ — явные признаки областей звездообразования. Ради поиска этих областей и вели наблюдения, но для изучения звезд нужны и данные по другим диапазонам. В этом помог космический телескоп «Джеймс Уэбб». Во-первых, он видит «глубже» в космос. Во-вторых, ведет наблюдения в инфракрасном спектре.

С помощью «Джеймса Уэбба» исследователи из Массачусетского технологического института (США) изучили шесть квазаров в молодой Вселенной. Свет этих объектов летел до нас от 12,7 до 12,9 миллиарда лет (красное смещение — от 5,9 до 7). Наблюдения вели суммарно на протяжении 120 часов. Результаты работы опубликованы в журнале The Astrophysical Journal и выложены на сайте arXiv.

«Отделить» свет самих галактик от излучения из окрестностей их сверхмассивных черных дыр удалось только у трех объектов: J0148+0600, J159-02 и J1120+0641. Для этого ученые прогнали данные наблюдений через специализированную компьютерную модель. Модель выявляет, какой свет, вероятно, идет от «точки», то есть квазара, а какой — от разреженного облака света, то есть от звезд.

По полученным результатам группа ученых оценила массы квазаров и их галактик. Получилось, что в молодой Вселенной соотношение массы сверхмассивных черных дыр к суммарной массе их звезд составляло примерно один к 10. Сегодня у галактик с той же массой звезд это соотношение на порядки меньше: один к 1000.

Выходит, в ранней Вселенной сверхмассивные черные дыры были в 100 раз более весомым вкладом в обычную материю в галактиках, чем сегодня. Это очень необычный вывод, поскольку пока не вполне ясно, за счет чего это могло бы случиться. Также из него следует куда большее влияние этих черных дыр на формирование галактик, чем считалось возможным ранее.

«Это помогает нам понять, кто растет первым: черная дыра, а галактика ее потом догоняет? Или ростом черной дыры управляют галактика и ее звезды? Мы видим, что в молодой Вселенной сверхмассивные черные дыры накапливали массу раньше своих галактик. Также мы можем осторожно предположить, что зародыши эти черных дыр были изначально массивнее, чем у современных галактик», — объяснила автор исследования Анна-Кристина Эйлерс, доцент физики в Массачусетском технологическом институте.

У современных галактик замечена явная корреляция между массой сверхмассивной черной дыры и массой звезд, а также скоростями их движения. Очевидно, что дыры и галактики должны эволюционировать в связке друг с другом, но вопрос в том, как они «управляют» друг другом? Откуда берется корреляция? Предположений много.

Так, некоторые ученые проверяют версию о том, что причина корреляции в том процессе, который изначально запускает формирование галактики и аккрецию в черную дыру. Есть даже предположение, что видимая корреляция объясняется теорией вероятности. Но все же более популярны версии о настоящем взаимодействии галактики и ее черной дыры.

Недавно астрономы впервые напрямую увидели, как сверхмассивная черная дыра остановила звездообразование в своей галактике. Излучение активного ядра способно «выдуть» газ из межзвездного пространства, тем самым остановив рождение звезд. Также излучение может нагревать газ в гало галактики, останавливая не только звездообразование, но и аккрецию в черную дыру. Чтобы разобраться, нужно провести больше наблюдений. Новое исследование показало, что «Джеймс Уэбб» способен собирать необходимую информацию.