Одна з головних наукових цілей обсерваторій наступного покоління (наприклад, космічного телескопа Джеймса Вебба) — спостереження за першими галактиками у Всесвіті — тими, що існували під час Космічного світанку (Cosmic Dawn). В цей період у нашому всесвіті утворилися перші зорі, галактики та чорні діри, приблизно через 50 мільйонів — 1 мільярд років після Великого Вибуху. З’ясувавши, як ці галактики формувалися та еволюціонували протягом найдавніших космологічних періодів, астрономи матимуть повну картину того, як Всесвіт змінювався з часом.
Результати найвіддаленіших спостережень «Вебба» принесли кілька сюрпризів. Крім виявлення того, що галактики швидко утворювалися в ранньому Всесвіті, астрономи також помітили: в центрі галактик містяться надмасивні чорні діри (supermassive black holes, SMBH) дуже великої маси. Це особливо збентежило, бо згідно з усталеними моделями, ці галактики та чорні діри не мали достатньо часу для формування. У недавньому дослідженні група науковців під керівництвом астрономів Пенсильванії розробила модель, що дає змогу пояснити, як SMBH так швидко зростали в ранньому Всесвіті.
Дослідницьку групу очолював В. Ніель Брандт (W. Niel Brandt), професор астрономії та астрофізики кафедри сім’ї Еберлі в Науковому коледжі Еберлі Пенсільванії. Результати досліджень науковці описали в двох статтях, представлених на 244-му з’їзді Американського астрономічного товариства (American Astronomical Society), що відбувся протягом 9—13 червня в Медісоні, штат Вісконсін. Першу статтю «Mapping the Growth of Supermassive Black Holes as a Function of Galaxy Stellar Mass and Redshift» («Картографування зростання надмасивних чорних дір як функції зоряної маси та червоного зміщення галактики») оприлюднив 29 березня в The Astrophysical Journal, а друга очікує на публікацію. Фан Чжоу (Fan Zou), аспірант коледжу Еберлі, є першим автором обох робіт.
Ілюстрація активного квазара. Нові дослідження показують, що надмасивні чорні діри поглинають речовину в досить швидкому темпі, щоб спричинити таке явище. Авторські права на зображення: ESO/M. Kornmesser. Фото з сайту www.universetoday.com.
Як зазначають у своїх статтях науковці, зростання надмасивних чорних дір відбувається за двома основними напрямами: через акрецію холодного газу з материнської галактики або злиття з SMBH інших галактик. Що стосується акреції, попередні дослідження показали — швидкість акреції чорної діри (black hole’s accretion rate, BHAR) тісно пов’язана із зоряною масою її галактики та червоним зміщенням всього зоряного населення цієї галактики. «Надмасивні чорні діри в центрах галактик мають масу в мільйони або мільярди разів більшу, ніж маса Сонця», — пояснив Чжоу в прес-релізі NASA. Як вони стають такими монстрами? Це питання, яке астрономи вивчали десятиліттями, але було важко відстежити всі шляхи надійного зростання чорних дір».
Для свого дослідження наукова група використала дані спостережень космічних рентгенівських обсерваторій «Чандра» (NASA), XMM-Newton та eROSITA (Європейське космічне агентство та Інститут позаземної фізики Макса Планка). Науковці виміряли зростання, спричинене акрецією, для 8000 активних галактичних ядер (active galactic nuclei, AGN) з вибірки у 1,3 мільйона галактик. Отримані значення стали вхідними даними для IllustrisTNG — набору найсучасніших космологічних симуляцій, які моделюють формування, еволюцію та злиття галактик від Космічного світанку до сьогодення. Цей комбінований підхід забезпечив найкраще дотепер моделювання зростання надмасивних чорних дір за останні 12 мільярдів років.
Брандт сказав: «Під час процесу споживання газу з галактик, у яких вони розміщені, чорні діри випромінюють сильне рентгенівське випромінювання, і це є ключем до відстеження їхнього зростання шляхом акреції. Ми виміряли зростання, спричинене аккрецією, використовуючи дані рентгенівської зйомки неба, накопичені протягом понад 20 років трьома найпотужнішими рентгенівськими інструментами, коли-небудь запущеними в космос.»
«У нашому гібридному підході ми поєднуємо спостережуване зростання через акрецію з імітованим зростанням шляхом злиття, щоб відтворити історію зростання надмасивних чорних дір. Ми вважаємо, що за допомогою цього нового підходу ми створили найреалістичнішу натепер картину зростання надмасивних чорних дір».
Це статичне зображення показує часову шкалу, що йде від Великого Вибуху праворуч до сьогодення ліворуч. Посередині — період реіонізації, коли початкові бульбашки речовини спричинили Космічний світанок. Авторські права на зображення: NASA SVS. Фото з сайту www.universetoday.com.
Результати дослідження показують: надмасивні чорні діри будь-якої маси зростали набагато швидше, коли Всесвіт був молодшим, і що головною рушійною силою зростання чорних дір у більшості випадків була акреція. Науковці також відзначили, що злиття зробили значний вторинний внесок, особливо для найбільших SMBH за останні 5 мільярдів років. Це свідчить про те, що нові надмасивні чорні діри виникали на етапі раннього Всесвіту, але процес утворення майже завершився приблизно 7 мільярдів років тому.
Фан Чжоу підсумував: «Завдяки нашому підходу ми можемо відстежувати, як центральні чорні діри в місцевому Всесвіті, найімовірніше, виросли протягом космічного часу. Як приклад ми розглянули зростання надмасивної чорної діри в центрі нашої галактики Молочний Шлях, яка має масу 4 мільйони мас Сонця. Наші результати показують, що чорна діра Галактики, ймовірно, виросла відносно пізно в космічному часі».
До складу міжнародної групи, крім Чжоу та Брандта, входили дослідники з Інституту гравітації та космосу, а також факультетів фізики, статистики і астрономії та астрофізики Пенсильванського університету. Серед інших учасників були дослідники з Мічіганського університету, Нанкінського університету в Китаї, Університету науки і технологій Китаю, Інституту позаземної фізики Макса Планка та Ґронінґенського університету в Нідерландах.
За інф. з сайту www.universetoday.com підготував Іван Крячко
