JWST виявляє гігантські чорні діри по всьому ранньому Всесвіту | Журнал Quanta

Багато років тому вона навіть була впевнена Джеймс Вебб космічний телескоп буде успішно запущено, Крістіна Ейлерс почав планувати конференцію для астрономів, які спеціалізуються на ранньому Всесвіті. Вона знала, що якщо — бажано, коли — JWST почне робити спостереження, їй та її колегам буде багато про що поговорити. Як машина часу, телескоп міг бачити далі і далі в минуле, ніж будь-який попередній інструмент.

На щастя для Ейлерс (та решти астрономічної спільноти), її планування не було марним: JWST запустили та розгорнули без збоїв, а потім почали серйозно досліджувати ранній Всесвіт зі свого місця в космосі за мільйони миль.

У середині червня близько 150 астрономів зібралися в Массачусетському технологічному інституті на конференцію Ейлерса JWST «Перше світло». Не минуло й року після JWST почав надсилати зображення назад на Землю. І як і передбачав Ейлерс, телескоп уже змінював розуміння астрономами першого мільярда років існування космосу.

У безлічі презентацій виділявся один набір загадкових об’єктів. Деякі астрономи назвали їх «прихованими маленькими монстрами». Для інших вони були «маленькими червоними крапками». Але як би вони не називалися, дані були зрозумілі: коли JWST дивиться на молоді галактики — які виглядають просто червоними цятками в темряві — він бачить дивовижну кількість із циклонами, що бурхають у їхніх центрах.

«Здається, існує величезна кількість джерел, про які ми не знали, — сказав Ейлерс, астроном з Массачусетського технологічного інституту, — яких ми взагалі не очікували знайти».

В останні місяці потік спостережень за космічними плямами порадував і збентежив астрономів.

«Усі говорять про ці маленькі червоні крапки», — сказав Сяохуей Фан, дослідник з Університету Арізони, який присвятив свою кар’єру пошуку віддалених об’єктів у ранньому Всесвіті.

Найпростішим поясненням галактик, у яких є торнадо, є те, що великі чорні діри вагою в мільйони сонць шаленіють газові хмари. Цей висновок є водночас очікуваним і збентеженим. Це очікується, оскільки JWST був побудований частково для пошуку стародавніх предметів. Вони є предками чорних дір із мільярдами сонячних гігантів, які, здається, з’явилися в космічних літописах незрозуміло рано. Вивчаючи ці чорні діри-попередники, такі як три рекордні молоді, відкриті цього року, вчені сподіваються дізнатися, звідки взялися перші гігантські чорні діри, і, можливо, визначити, яка з двох конкуруючих теорій краще описує їх утворення: чи вони росли надзвичайно швидко, чи вони просто народилися великими? Проте спостереження також викликають здивування, оскільки мало хто з астрономів очікував, що JWST знайде стільки молодих, голодних чорних дір — і опитування збільшують їх десятки. У процесі спроб розгадати колишню таємницю астрономи виявили натовп громіздких чорних дір, які можуть переписати усталені теорії про зірки, галактики тощо.

«Як теоретик я маю побудувати всесвіт», — сказав Марта Волонтері, астрофізик, який спеціалізується на чорних дірах у Паризькому інституті астрофізики. Волонтері та її колеги зараз борються з напливом гігантських чорних дір у ранньому космосі. «Якщо вони [справжні], вони повністю змінюють картину».

Космічна машина часу

Спостереження JWST струсають астрономію частково тому, що телескоп може виявляти світло, що досягає Землі з більших глибин космосу, ніж будь-яка раніша машина.

«Ми створювали цей абсурдно потужний телескоп протягом 20 років», — сказав він Грант Трембле, астрофізик Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики. «Вся суть цього спочатку полягала в тому, щоб зазирнути в глибину космічного часу».

Однією з цілей місії є виявлення галактик у процесі формування протягом першого мільярда років існування Всесвіту (з його приблизно 13.8 мільярдів років історії). Початкові спостереження телескопа минулого літа натякнув на молодий всесвіт сповнений вражаюче зрілих галактик, але інформація, яку астрономи могли отримати з таких зображень, була обмеженою. Щоб по-справжньому зрозуміти ранній Всесвіт, астрономам було потрібно більше, ніж просто зображення; вони жадали спектрів цих галактик — даних, які надходять, коли телескоп розбиває вхідне світло на певні відтінки.

Галактичні спектри, які JWST почав посилено надсилати наприкінці минулого року, корисні з двох причин.

По-перше, вони дозволили астрономам визначити вік галактики. Інфрачервоне світло, яке збирає JWST, червоніє або червоно зміщується, що означає, що коли воно перетинає космос, його довжини хвиль розтягуються через розширення простору. Ступінь цього червоного зсуву дозволяє астрономам визначити відстань до галактики, а отже, коли вона спочатку випромінювала своє світло. Сусідні галактики мають червоне зміщення майже нульове. JWST може зручно розрізняти об’єкти за межами червоного зміщення 5, що відповідає приблизно 1 мільярду років після Великого вибуху. Об’єкти з більшим червоним зміщенням значно старші та віддаленіші.

По-друге, спектри дають астрономам уявлення про те, що відбувається в галактиці. Кожен відтінок позначає взаємодію між фотонами та конкретними атомами (або молекулами). Один колір походить від блимання атома водню, коли він осідає після удару; інша вказує на зіштовхнуті атоми кисню, а інша — на азот. Спектр — це модель кольорів, яка показує, з чого складається галактика та що ці елементи роблять, і JWST забезпечує цей важливий контекст для галактик на безпрецедентних відстанях.

"Ми зробили такий величезний стрибок", - сказав Ааюш Саксена, астроном Оксфордського університету. Той факт, що «ми говоримо про хімічний склад галактик із червоним зміщенням 9, є абсолютно примітним».

(Червоне зміщення 9 приголомшливо далеке, воно відповідає часу, коли Всесвіту було всього 0.55 мільярда років.)

Галактичні спектри також є ідеальним інструментом для пошуку головного збудника атомів: гігантських чорних дір, які ховаються в серцях галактик. Самі по собі чорні діри темні, але коли вони харчуються газом і пилом, вони розривають атоми, змушуючи їх випромінювати яскраві кольори. Задовго до запуску JWST астрофізики сподівалися, що телескоп допоможе їм помітити ці закономірності та знайти достатньо найбільших і найактивніших чорних дір раннього Всесвіту, щоб розгадати таємницю їхнього формування.

Занадто великий, занадто рано

Ця таємниця почалася понад 20 років тому, коли команда під керівництвом Фана помітила один із них найдальші галактики будь-коли спостережуваний — блискучий квазар або галактика, прив’язана до активної надмасивної чорної діри вагою, можливо, мільярди сонць. Його червоне зміщення дорівнює 5, що відповідає приблизно 1.1 мільярду років після Великого вибуху. З подальшими розмахами неба Фан і його колеги неодноразово побивали власні рекорди, зсуваючи межу червоного зміщення квазара до 6 в 2001 і врешті-решт до 7.6 в 2021 — лише через 0.7 мільярда років після Великого вибуху.

Проблема полягала в тому, що створення таких гігантських чорних дір здавалося неможливим на такому ранньому етапі космічної історії.

Як і будь-якому об’єкту, чорним дірам потрібен час, щоб вирости та сформуватися. І як у 6-футового малюка, величезні чорні діри Фана були занадто великими для свого віку — Всесвіт був недостатньо старим, щоб вони накопичили мільярди сонць. Щоб пояснити цих перерослих малюків, фізики були змушені розглянути два неприємні варіанти.

Перше полягало в тому, що галактики Фана спочатку були заповнені стандартними чорними дірами приблизно зіркової маси, які часто залишають після себе наднові. Потім вони виросли, зливаючись і поглинаючи навколишній газ і пил. Зазвичай, якщо чорна діра бенкетує досить агресивно, викид радіації відштовхує її шматочки. Це зупиняє шалену годівлю та встановлює обмеження швидкості для росту чорної діри, яке вчені називають межею Еддінгтона. Але це м’яка стеля: постійний потік пилу міг би подолати викид радіації. Однак важко уявити, щоб такий «супер-Еддінгтон» ріст підтримувався досить довго, щоб пояснити звірів Фана — їм довелося б неймовірно швидко наростати.

Або, можливо, чорні діри можуть народжуватися неймовірно великими. Газові хмари в ранньому Всесвіті, можливо, зруйнувалися безпосередньо в чорні діри вагою багато тисяч сонць, утворюючи об’єкти, які називаються важкими насінням. Цей сценарій теж важко прийняти, тому що такі великі грудкуваті газові хмари повинні розпадатися на зірки, перш ніж утворювати чорну діру.

Одним із пріоритетів JWST є оцінка цих двох сценаріїв, зазирнувши в минуле та виявивши слабших предків галактик Фана. Ці попередники були б не зовсім квазарами, а галактиками з дещо меншими чорними дірами на шляху до того, щоб стати квазарами. Завдяки JWST у вчених є найкращі шанси помітити чорні діри, які ледве почали рости — об’єкти, які досить молоді та малі, щоб дослідники могли визначити їх вагу при народженні.

Це одна з причин, чому група астрономів з дослідницької роботи Cosmic Evolution Early Release Science Survey або CEERS на чолі з Дейлом Коцевскі з коледжу Колбі почала працювати понаднормово, коли вони вперше помітили ознаки появи таких молодих чорних дір у дні після Різдва.

«Це вражає, скільки їх там», — написав Джейхан Карталтепе, астроном з Рочестерського технологічного інституту, під час дискусії про Slack.

«Багато маленьких прихованих монстрів», — відповів Коцевскі.

Зростаючий натовп монстрів

У спектрі CEERS кілька галактик одразу вискочили як потенційно приховуючі чорні діри-дитинча — маленькі монстрики. На відміну від своїх більш ванільних побратимів, ці галактики випромінювали світло, яке не надходило лише з одним чітким відтінком для водню. Замість цього воднева лінія була розмазана або розширена в діапазон відтінків, що вказує на те, що деякі світлові хвилі хлюпаються, коли орбітальні газові хмари прискорюються до JWST (подібно до того, як машина швидкої допомоги, що наближається, видає наростаюче голосіння, коли звукові хвилі її сирени стискаються), а інші хвилі розтягувалися, коли хмари відлітали. Коцевскі та його колеги знали, що чорні діри були чи не єдиним об’єктом, здатним таким чином розкидати водень.

«Єдиний спосіб побачити широку складову газу, що обертається навколо чорної діри, — це дивитися прямо вниз по стволу галактики прямо в чорну діру», — сказав Коцевскі.

До кінця січня команді CEERS вдалося створити препринт із описом двох «прихованих маленьких монстрів», як вони їх називали. Потім група вирішила систематично досліджувати ширший смуг із сотень галактик, зібраних їхньою програмою, щоб побачити, скільки там чорних дір. Але всього через кілька тижнів їх захопила інша команда на чолі з Юічі Харікане з Токійського університету. Група Харікане дослідила 185 найвіддаленіших галактик CEERS і знайдено 10 з широкими лініями водню — ймовірна робота центральних чорних дір з мільйонами сонячних мас на червоних зміщеннях між 4 і 7. Потім у червні аналіз двох інших досліджень під керівництвом Джоріт Метті Швейцарського федерального технологічного інституту Цюріха визначив ще 20 "маленькі червоні точки” з широкими лініями водню: чорні діри, що обертаються навколо червоного зсуву 5. Аналіз опубліковано на початку серпня анонсував ще десяток, деякі з яких, можливо, навіть перебувають у процесі зростання шляхом злиття.

«Я так довго чекав на ці речі», — сказав Волонтері. «Це було неймовірно».

Але мало хто з астрономів передбачав величезну кількість галактик з великою активною чорною дірою. Дитинчат-квазарів у перший рік спостережень JWST більше, ніж передбачали вчені на основі перепис дорослих квазарів — у 10-100 разів більше.

«Для астронома дивно, що ми відхилилися на порядок чи навіть більше», — сказав Ейлерс, який вніс свій внесок у роботу з маленькими червоними крапками.

«Завжди здавалося, що при високому червоному зміщенні ці квазари були лише вершиною айсберга», — сказала Стефані Джуно, астроном з NOIRLab Національного наукового фонду та співавтор статті про маленьких монстрів. «Ми можемо виявити, що всередині ця [слабша] популяція навіть більша, ніж звичайний айсберг».

Ці двоє йдуть майже до 11

Але щоб помітити звірів у зародковому стані, астрономи знають, що їм доведеться вийти за межі червоного зсуву в 5 і заглянути глибше в перші мільярди років Всесвіту. Нещодавно кілька команд помітили чорні діри, які живляться на справді безпрецедентних відстанях.

У березні, аналіз CEERS під керівництвом Ребекка Ларсон, астрофізик з Техаського університету в Остіні, виявив широку лінію водню в галактиці з червоним зміщенням 8.7 (0.57 мільярда років після Великого вибуху), встановивши новий рекорд для найвіддаленішої активної чорної діри, коли-небудь виявленої.

Але рекорд Ларсона впав лише через кілька місяців, після того як астрономи спільно з JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey) отримали спектр GN-z11. При червоному зміщенні 10.6 GN-z11 був на найменшій межі зору космічного телескопа Хаббла, і вчені хотіли вивчити його гостріше. До лютого JWST витратив понад 10 годин на спостереження за GN-z11, і дослідники могли відразу сказати, що галактика була диваком. Його велика кількість азоту був "повністю не в порядку", сказав Ян Шольц, член JADES в Кембриджському університеті. Побачити стільки азоту в молодій галактиці було все одно, що зустріти 6-річну дитину з тінню на п’ять годин, особливо якщо азот порівняти з мізерними запасами кисню в галактиці, простішого атома, який зірки повинні зібрати першими.

Співпраця JADES продовжила ще близько 16 годин спостереження JWST на початку травня. Додаткові дані покращили спектр, виявивши, що два видимих ​​відтінки азоту були надзвичайно нерівномірними — один яскравий і один слабкий. Схема, за словами дослідників, вказує на те, що GN-z11 був сповнений щільних газових хмар, зосереджених страшна гравітаційна сила.

«Тоді ми зрозуміли, що дивимося прямо в акреційний диск чорної діри», — сказав Шольц. Це випадкове вирівнювання пояснює, чому далека галактика була досить яскравою, щоб Хаббл міг її побачити.

Надзвичайно молоді, голодні чорні діри, такі як GN-z11, є точними об’єктами, на які астрофізики сподівалися вирішити питання про те, як з’явилися квазари Фана. Але в свою чергу виявляється, що навіть чудовий GN-z11 недостатньо молодий або малий, щоб дослідники могли остаточно визначити його масу при народженні.

«Нам потрібно почати виявляти маси чорних дір із червоним зміщенням набагато вище, ніж 11», — сказав Шольц. «Я поняття не мав, що скажу це рік тому, але ось ми тут».

Натяк на тяжкість

До того часу астрономи вдаються до більш хитрих трюків для пошуку та вивчення новонароджених чорних дір, трюків, таких як телефонний дзвінок другу — або іншому флагманському космічному телескопу — по допомогу.

На початку 2022 року Волонтері, Трембле та їхні співробітники почали періодично спрямовувати рентгенівську обсерваторію NASA Chandra на скупчення галактик, як вони знали, у короткому списку JWST. Кластер діє як лінза. Він згинає тканину простору-часу та збільшує віддалені галактики позаду нього. Команда хотіла побачити, чи якась із цих фонових галактик випромінює рентгенівське випромінювання, традиційну візитну картку ненажерливої ​​чорної діри.

Протягом року Чандра дивилася на космічну лінзу протягом двох тижнів — одна з найтриваліших спостережних кампаній — і зібрала 19 рентгенівських фотонів, що надходять із галактики під назвою UHZ1, червоне зміщення 10.1. Ці 19 високооктанових фотонів, швидше за все, походять від зростаючої чорної діри, яка існувала менше ніж півмільярда років після Великого вибуху, що робить її найвіддаленішим джерелом рентгенівського випромінювання, яке коли-небудь було виявлено.

Об’єднавши дані JWST і Chandra, група дізналася щось дивне — і інформативне. У більшості сучасних галактик майже вся маса припадає на зірки, з менш ніж відсотком або близько того в центральній чорній дірі. Але в UHZ1 маса, здається, рівномірно розподілена між зірками та чорною дірою — це не той шаблон, який астрономи очікували б для супер-Еддінгтонської акреції.

Більш правдоподібне пояснення, запропонувала команда, полягає в тому, що центральна чорна діра UHZ1 народилася, коли гігантська хмара зім'ялася в величезну чорну діру, залишивши трохи газу для створення зірок. Ці спостереження «можуть узгоджуватися з важким насінням», сказав Трамбле. Це «божевільно думати про ці гігантські, гігантські кулі газу, які просто руйнуються».

Це всесвіт чорної діри

Деякі конкретні висновки, отримані в ході дослідження Mad Spectra за останні кілька місяців, неодмінно зміняться, оскільки дослідження проходитимуть рецензування. Але загальний висновок про те, що молодий Всесвіт створив безліч гігантських активних чорних дір надзвичайно швидко, ймовірно, виживе. Зрештою, квазари Фана мали звідкись узятися.

«Точна кількість і деталі кожного об’єкта залишаються невизначеними, але дуже переконливо те, що ми знаходимо велику популяцію чорних дір, що накопичуються», — сказав Ейлерс. «JWST показав їх уперше, і це дуже цікаво».

Для фахівців з чорних дір це відкриття, яке назрівало роками. Останні дослідження безладні підліткові галактики у сучасному Всесвіті натякнули на те, що активні чорні діри в молодих галактиках залишаються поза увагою. І теоретики боролися, тому що їхні цифрові моделі постійно створювали всесвіти з набагато більшою кількістю чорних дір, ніж астрономи бачили в реальному.

«Я завжди казав, що моя теорія неправильна, а спостереження правильні, тому мені потрібно виправити свою теорію», — сказав Волонтері. Але, можливо, розбіжність не вказувала на проблему з теорією. «Можливо, ці маленькі червоні точки не були враховані», — сказала вона.

Тепер, коли палаючі чорні діри виявляються не просто космічними камеями у всесвіті, що розвивається, астрофізики задаються питанням, чи може переробка об’єктів у більш м’які теоретичні ролі полегшити деякі інші головні болі.

Після вивчення деяких із перших зображень JWST деякі астрономи швидко вказали на це галактики здавалися неймовірно важкими, враховуючи їхню молодість. Але принаймні в деяких випадках сліпуче яскрава чорна діра може змусити дослідників переоцінити вагу навколишніх зірок.

Ще одна теорія, яку, можливо, потребує коригування, це швидкість, з якою галактики утворюють зірки, яка, як правило, є занадто високою в моделюванні галактик. Коцевскі припускає, що багато галактик проходять через фазу прихованих монстрів, яка сповільнює зореутворення; вони спочатку закуті в пил для створення зірок, а потім їхня чорна діра стає достатньо потужною, щоб розкидати зірковий матеріал у космос, уповільнюючи утворення зірок. «Можливо, ми розглядаємо цей сценарій у грі», — сказав він.

Поки астрономи відкривають завісу раннього Всесвіту, академічні припущення переважають над конкретними відповідями. Незважаючи на те, що JWST вже змінює уявлення астрономів про активні чорні діри, дослідники знають, що космічні віньєтки, виявлені цього року телескопом, є лише анекдотами порівняно з тим, що має відбутися. Такі кампанії спостережень, як JADES і CEERS, виявили десятки ймовірно чорних дір, які дивляться на них із клаптиків неба розміром приблизно в одну десяту від повного місяця. Багато інших чорних дір очікують на увагу телескопа та його астрономів.

«Увесь цей прогрес був досягнутий протягом перших дев’яти-12 місяців», – сказав Саксена. «Тепер ми маємо [JWST] на наступні дев’ять або десять років».