JWST замечает гигантские черные дыры по всей ранней Вселенной | Журнал Кванта

За годы до того, как она была даже уверена, что космического телескопа Джеймса Вебба будет успешно запущен, Кристина Эйлерс начал планировать конференцию для астрономов, специализирующихся на ранней Вселенной. Она знала, что если — желательно, когда — JWST начнет делать наблюдения, ей и ее коллегам будет о чем поговорить. Подобно машине времени, телескоп мог видеть все дальше и дальше в прошлое, чем любой предыдущий инструмент.

К счастью для Эйлерс (и остального астрономического сообщества), ее планы не были напрасными: JWST запустили и развернули без сучка и задоринки, а затем начали серьезно изучать раннюю Вселенную со своего места в космосе за миллион миль.

В середине июня около 150 астрономов собрались в Массачусетском технологическом институте на конференцию Эйлерса JWST «Первый свет». Не прошло и года с JWST начал отправлять изображения обратно на Землю. Как и предсказывал Эйлерс, телескоп уже изменил представление астрономов о первом миллиарде лет жизни космоса.

Один набор загадочных объектов выделялся среди множества презентаций. Некоторые астрономы называли их «затаившимися маленькими монстрами». Для других они были «маленькими красными точками». Но каким бы ни было их название, данные были четкими: когда JWST смотрит на молодые галактики, которые кажутся простыми красными точками в темноте, он видит удивительное количество галактик с бурлящими в их центрах циклонами.

«Кажется, существует множество источников, о которых мы не знали, — сказал Эйлерс, астроном из Массачусетского технологического института, — которые мы вообще не ожидали обнаружить».

В последние месяцы поток наблюдений за космическими пятнами восхищал и приводил в замешательство астрономов.

«Все говорят об этих маленьких красных точках, — сказал Сяохуэй Фан, исследователь из Университета Аризоны, посвятивший свою карьеру поиску далеких объектов в ранней Вселенной.

Самое простое объяснение галактик с сердцем торнадо состоит в том, что большие черные дыры, весящие миллионы солнц, доводят газовые облака до безумия. Этот вывод является одновременно ожидаемым и озадачивающим. Ожидается, что JWST был построен, в частности, для поиска древних объектов. Они являются предками гигантских черных дыр размером в миллиард солнц, которые, кажется, появляются в космической летописи необъяснимо рано. Изучая эти предшественники черных дыр, такие как три молодых рекордсмена, обнаруженных в этом году, ученые надеются узнать, откуда появились первые огромные черные дыры, и, возможно, определить, какая из двух конкурирующих теорий лучше описывает их образование: росли ли они чрезвычайно быстро или они просто родились большими? Тем не менее, наблюдения вызывают недоумение, потому что немногие астрономы ожидали, что JWST найдет так много молодых, голодных черных дыр, а исследования обнаруживают их десятками. Пытаясь разгадать прежнюю загадку, астрономы обнаружили множество громоздких черных дыр, которые могут переписать устоявшиеся теории звезд, галактик и многого другого.

«Как теоретик, я должен построить вселенную», — сказал Марта Волонтери, астрофизик, специализирующийся на черных дырах в Парижском институте астрофизики. Волонтери и ее коллеги сейчас борются с притоком гигантских черных дыр в ранний космос. «Если они [настоящие], они полностью меняют картину».

Космическая машина времени

Наблюдения JWST встряхивают астрономию отчасти потому, что телескоп может обнаруживать свет, достигающий Земли из более глубокого космоса, чем любая более ранняя машина.

«Мы строили этот абсурдно мощный телескоп более 20 лет. Грант Тремблей, астрофизик Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики. «Изначально весь смысл был в том, чтобы заглянуть вглубь космического времени».

Одна из целей миссии — поймать галактики в процессе формирования в течение первого миллиарда лет существования Вселенной (из примерно 13.8 миллиардов лет ее истории). Первые наблюдения телескопа прошлым летом намекнул на молодую вселенную было полно поразительно зрелых галактик, но информация, которую астрономы могли извлечь из таких изображений, была ограничена. Чтобы действительно понять раннюю Вселенную, астрономам нужно было больше, чем просто изображения; они жаждали спектров этих галактик — данных, которые приходят, когда телескоп разбивает входящий свет на определенные оттенки.

Галактические спектры, которые JWST начала всерьез отправлять обратно в конце прошлого года, полезны по двум причинам.

Во-первых, они позволили астрономам определить возраст галактики. Инфракрасный свет, который собирает JWST, окрашивается в красный цвет или смещается в красную сторону, а это означает, что по мере того, как он пересекает космос, его длина волны растягивается за счет расширения пространства. Степень этого красного смещения позволяет астрономам определить расстояние до галактики и, следовательно, когда она первоначально излучала свой свет. Ближайшие галактики имеют красное смещение почти нулевое. JWST может легко различать объекты с красным смещением более 5, что соответствует примерно 1 миллиарду лет после Большого взрыва. Объекты с большим красным смещением значительно старше и находятся дальше.

Во-вторых, спектры дают астрономам представление о том, что происходит в галактике. Каждый оттенок отмечает взаимодействие между фотонами и определенными атомами (или молекулами). Один цвет возникает из-за того, что атом водорода вспыхивает, когда он оседает после удара; другой указывает на столкнувшиеся атомы кислорода, а другой - на азот. Спектр — это набор цветов, который показывает, из чего состоит галактика и что делают эти элементы, и JWST обеспечивает этот важный контекст для галактик на беспрецедентных расстояниях.

«Мы сделали такой огромный скачок», — сказал Аюш Саксена, астроном из Оксфордского университета. Тот факт, что «мы говорим о химическом составе галактик с красным смещением 9, совершенно примечателен».

(Красное смещение 9 невероятно далеко, что соответствует времени, когда Вселенной было всего 0.55 миллиарда лет.)

Галактические спектры также являются идеальным инструментом для обнаружения главного возмущающего атома вещества: гигантских черных дыр, скрывающихся в сердцевине галактик. Черные дыры сами по себе темные, но когда они питаются газом и пылью, они разрывают атомы на части, заставляя их излучать контрольные цвета. Задолго до запуска JWST астрофизики надеялись, что телескоп поможет им определить эти закономерности и найти достаточное количество самых больших и наиболее активных черных дыр ранней Вселенной, чтобы разгадать тайну их образования.

Слишком большой, слишком ранний

Тайна началась более 20 лет назад, когда команда во главе с Фаном заметила одного из самые далекие галактики из когда-либо наблюдаемых — сверкающий квазар или галактика, прикрепленная к активной сверхмассивной черной дыре, весящей, возможно, миллиарды солнц. У него было красное смещение 5, что соответствует примерно 1.1 миллиардам лет после Большого взрыва. Дальнейшими исследованиями неба Фан и его коллеги неоднократно били свои собственные рекорды, отодвигая границу красного смещения квазара до 6 в 2001 и в конечном итоге 7.6 в 2021 — всего через 0.7 миллиарда лет после Большого взрыва.

Проблема заключалась в том, что создание таких гигантских черных дыр казалось невозможным на столь раннем этапе космической истории.

Как и любому объекту, черным дырам требуется время, чтобы вырасти и сформироваться. И, подобно 6-футовому малышу, гигантские черные дыры Фэна были слишком большими для своего возраста — Вселенная была недостаточно взрослой, чтобы они могли накопить миллиарды солнц в весе. Чтобы объяснить появление малышей-переростков, физики были вынуждены рассмотреть два неприятных варианта.

Во-первых, галактики Фан изначально были заполнены стандартными черными дырами примерно звездной массы, которые часто остаются после сверхновых. Затем они росли как путем слияния, так и за счет поглощения окружающего газа и пыли. Обычно, если черная дыра питается достаточно агрессивно, поток радиации отталкивает ее кусочки. Это останавливает безумие кормления и устанавливает предел скорости роста черной дыры, который ученые называют пределом Эддингтона. Но это мягкий потолок: постоянный поток пыли мог бы предположительно преодолеть излияние радиации. Однако трудно представить, что такой «супер-Эддингтоновский» рост будет поддерживаться достаточно долго, чтобы объяснить зверей Фана — им пришлось бы невообразимо быстро набирать вес.

Или, возможно, черные дыры могут рождаться невероятно большими. Газовые облака в ранней Вселенной могли коллапсировать прямо в черные дыры, весящие многие тысячи солнц, создавая объекты, называемые тяжелыми семенами. Этот сценарий также трудно принять, потому что такие большие комковатые газовые облака должны расколоться на звезды, прежде чем образоваться черная дыра.

Один из приоритетов JWST — оценить эти два сценария, заглянув в прошлое и поймав более слабых предков галактик Веера. Эти предшественники были бы не совсем квазарами, а галактиками с несколько меньшими черными дырами, которые находятся на пути к тому, чтобы стать квазарами. С JWST у ученых есть все шансы обнаружить черные дыры, которые едва начали расти — объекты, которые достаточно молоды и достаточно малы, чтобы исследователи могли определить их массу при рождении.

Это одна из причин, по которой группа астрономов из Научного обзора космической эволюции, или CEERS, во главе с Дейлом Коцевски из Колледжа Колби, начала работать сверхурочно, когда они впервые заметили признаки появления таких молодых черных дыр в дни после Рождества.

«Впечатляет, как много их здесь», — написал Джейхан Карталтепе, астроном из Рочестерского технологического института, во время обсуждения в Slack.

«Много маленьких скрытых монстров», — ответил Коцевски.

Растущая толпа монстров

В спектрах CEERS несколько галактик сразу выделились как потенциально скрывающие детские черные дыры — маленькие монстры. В отличие от своих более ванильных братьев и сестер, эти галактики излучали свет, который не приходил только с одним четким оттенком водорода. Вместо этого линия водорода была размыта или расширена до диапазона оттенков, что указывало на то, что некоторые световые волны были сжаты, когда орбитальные газовые облака ускорялись к JWST (подобно тому, как приближающаяся машина скорой помощи издает нарастающий вопль, когда звуковые волны ее сирены сжимаются), в то время как другие волны растянулись, когда облака улетели. Коцевски и его коллеги знали, что черные дыры были чуть ли не единственным объектом, способным метать водород таким образом.

«Единственный способ увидеть широкий компонент газа, вращающийся вокруг черной дыры, — это смотреть прямо в ствол галактики и прямо в черную дыру», — сказал Коцевски.

К концу января команде CEERS удалось подготовить препринт с описанием двух «спрятанных маленьких монстров», как они их называли. Затем группа приступила к систематическому изучению большего количества сотен галактик, собранных их программой, чтобы увидеть, сколько черных дыр существует. Но всего несколько недель спустя их перехватила другая команда под руководством Юичи Харикане из Токийского университета. Группа Хариканэ обыскала 185 самых далеких галактик CEERS и найдено 10 с широкими водородными линиями — вероятная работа центральных черных дыр массой в миллион солнечных на красных смещениях от 4 до 7. Затем в июне был проведен анализ двух других обзоров под руководством Джоррит Мэтти Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе определили еще 20 «маленькие красные точки» с широкими линиями водорода: черные дыры, вращающиеся вокруг красного смещения 5. Анализ опубликовано в начале августа объявила еще о дюжине, некоторые из которых, возможно, даже находятся в процессе слияния.

«Я так долго ждал этих вещей, — сказал Волонтери. «Это было невероятно».

Но немногие астрономы предвидели огромное количество галактик с большой активной черной дырой. Детские квазары в первый год наблюдений JWST оказались более многочисленными, чем предсказывали ученые, основываясь на перепись взрослых квазаров - в 10-100 раз больше.

«Для астронома удивительно, что мы ошиблись на порядок или даже больше», — сказал Эйлерс, участвовавший в написании статьи о маленьких красных точках.

«Всегда казалось, что при высоком красном смещении эти квазары были лишь верхушкой айсберга», — сказала Стефани Джуно, астроном из NOIRLab Национального научного фонда и соавтор статьи о маленьких монстрах. «Возможно, мы обнаружим, что эта [более бледная] популяция даже больше, чем обычный айсберг».

Этим двоим почти 11

Но астрономы знают, что для того, чтобы мельком увидеть зверей в младенчестве, им придется выйти далеко за пределы красного смещения в 5 и глубже заглянуть в первый миллиард лет жизни Вселенной. Недавно несколько команд обнаружили черные дыры, питающиеся на действительно беспрецедентных расстояниях.

В марте, анализ CEERS под руководством Ребекка Ларсон, астрофизик из Техасского университета в Остине, обнаружил широкую линию водорода в галактике с красным смещением 8.7 (0.57 миллиарда лет после Большого взрыва), установив новый рекорд самой далекой из когда-либо обнаруженных активных черных дыр.

Но рекорд Ларсона упал всего несколько месяцев спустя, после того как астрономы в сотрудничестве с JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) получили в свои руки спектр GN-z11. При красном смещении 10.6 GN-z11 находился на самом слабом краю поля зрения космического телескопа Хаббл, и ученые стремились изучить его более острыми глазами. К февралю JWST провел более 10 часов, наблюдая за GN-z11, и исследователи сразу могли сказать, что галактика странная. Его изобилие азот был "совершенно не в себе", сказал Ян Шольц, член JADES в Кембриджском университете. Увидеть такое количество азота в молодой галактике было все равно, что встретить 6-летнего ребенка с пятичасовой тенью, особенно если сравнить азот со скудными запасами кислорода в галактике, более простого атома, который звезды должны собирать первыми.

Сотрудничество с JADES продолжилось еще примерно 16 часами наблюдений JWST в начале мая. Дополнительные данные сделали спектр более четким, показав, что два видимых оттенка азота были крайне неравномерными — один яркий и один слабый. Команда заявила, что картина указывает на то, что GN-z11 был полон плотных газовых облаков, сконцентрированных страшная гравитационная сила.

«Именно тогда мы поняли, что смотрим прямо в аккреционный диск черной дыры», — сказал Шольц. Это случайное выравнивание объясняет, почему далекая галактика была достаточно яркой, чтобы Хаббл мог ее увидеть.

Астрофизики надеялись, что чрезвычайно молодые, голодные черные дыры, такие как GN-z11, помогут решить проблему происхождения квазаров Фана. Но по иронии судьбы оказывается, что даже превосходный GN-z11 недостаточно молод или мал, чтобы исследователи могли окончательно определить его массу при рождении.

«Нам нужно начать обнаруживать массы черных дыр с красным смещением намного выше, чем 11», — сказал Шольц. «Я понятия не имел, что скажу это год назад, но вот мы здесь».

Намек на тяжесть

До тех пор астрономы прибегают к более изощренным приемам для поиска и изучения новорожденных черных дыр, таким как звонок другу или другому флагманскому космическому телескопу за помощью.

В начале 2022 года Волонтери, Тремблей и их сотрудники начали периодически наводить рентгеновскую обсерваторию Чандра НАСА на скопление галактик, которое, как они знали, войдет в короткий список JWST. Кластер действует как линза. Он искривляет ткань пространства-времени и увеличивает более далекие галактики за собой. Команда хотела увидеть, испускает ли какая-либо из этих фоновых галактик рентгеновские лучи — традиционную визитную карточку прожорливой черной дыры.

В течение года «Чандра» в течение двух недель смотрела на космическую линзу — это была одна из самых продолжительных наблюдательных кампаний — и собрала 19 рентгеновских фотонов, исходящих из галактики под названием UHZ1, на красное смещение 10.1. Эти 19 высокооктановых фотонов, скорее всего, исходили от растущей черной дыры, которая существовала менее чем через полмиллиарда лет после Большого взрыва, что делает ее самым далеким из когда-либо обнаруженных источников рентгеновского излучения.

Объединив данные JWST и Chandra, группа узнала нечто странное и познавательное. В большинстве современных галактик почти вся масса приходится на звезды, и менее процента приходится на центральную черную дыру. Но в UHZ1 масса кажется равномерно распределенной между звездами и черной дырой, чего астрономы не ожидали бы от суперэддингтоновской аккреции.

Более правдоподобное объяснение, команда предложила, заключается в том, что центральная черная дыра UHZ1 родилась, когда гигантское облако рухнуло в огромную черную дыру, оставив немного газа для образования звезд. Эти наблюдения «могут согласовываться с тяжелым семенем», — сказал Тремблей. «Безумно думать об этих гигантских, гигантских газовых шарах, которые просто рушатся».

Это вселенная черной дыры

Некоторые из конкретных результатов безумной схватки спектров за последние несколько месяцев обязательно изменятся по мере того, как исследования проходят экспертную оценку. Но общий вывод о том, что молодая Вселенная очень быстро создала множество гигантских активных черных дыр, скорее всего, выживет. В конце концов, квазары Фана должны были откуда-то появиться.

«Точные числа и детали каждого объекта остаются неопределенными, но очень убедительно то, что мы находим большое количество аккрецирующих черных дыр», — сказал Эйлерс. «JWST впервые показали их, и это очень интересно».

Для специалистов по черным дырам это открытие, которое назревало годами. Недавние исследования беспорядочные подростковые галактики в современной Вселенной намекнули, что активные черные дыры в молодых галактиках упускают из виду. И теоретики боролись, потому что их цифровые модели постоянно создавали вселенные с гораздо большим количеством черных дыр, чем астрономы видели в реальной.

«Я всегда говорил, что моя теория неверна, а наблюдения верны, поэтому мне нужно исправить свою теорию», — сказал Волонтери. Тем не менее, возможно, расхождение не указывало на проблему с теорией. «Возможно, эти маленькие красные точки не учитывались», — сказала она.

Теперь, когда сверкающие черные дыры оказались чем-то большим, чем просто космическими камеями в созревающей Вселенной, астрофизики задаются вопросом, может ли переосмысление объектов в более серьезных теоретических ролях облегчить некоторые другие головные боли.

Изучив некоторые из первых изображений JWST, некоторые астрономы быстро указали, что определенные галактики казались невероятно тяжелыми, учитывая их молодость. Но, по крайней мере, в некоторых случаях ослепительно яркая черная дыра может привести исследователей к переоценке веса окружающих звезд.

Еще одна теория, которая может нуждаться в корректировке, — это скорость, с которой галактики производят звезды, которая, как правило, слишком высока в симуляциях галактик. Коцевски предполагает, что многие галактики проходят фазу скрытых монстров, которая вызывает замедление звездообразования; они начинаются в коконе из звездообразующей пыли, а затем их черная дыра становится достаточно мощной, чтобы рассеять звездное вещество в космосе, замедляя звездообразование. «Возможно, мы рассматриваем этот сценарий в действии», — сказал он.

По мере того как астрономы приоткрывают завесу над ранней Вселенной, академические догадки превосходят числом конкретных ответов. Несмотря на то, что JWST уже меняет представление астрономов об активных черных дырах, исследователи знают, что космические виньетки, обнаруженные телескопом в этом году, — всего лишь анекдоты по сравнению с тем, что будет дальше. Кампании наблюдения, такие как JADES и CEERS, обнаружили десятки черных дыр, которые смотрели на них с кусочков неба размером примерно в одну десятую размера полной луны. Внимания телескопа и его астрономов ждет еще много молодых черных дыр.

«Весь этот прогресс был достигнут за первые девять-двенадцать месяцев», — сказала Саксена. «Теперь у нас есть [JWST] на следующие девять или десять лет».