За допомогою Космічного телескопа імені Габбла і космічного зонда «Гея» астрономи відкрили дві пари квазарів у далекому Всесвіті, що лежать близько один біля одного. Подальші спостереження методом спектроскопії, виконані на телескопі Джеміні північ (Gemini North), дали змогу побачити окремо кожен квазар в одній з цих далеких пар. Відстань між квазарами найменша, ніж в будь-якій іншій парі квазарів, виявлених так далеко від Землі. Це відкриття є вагомим доказом існування подвійних надмасивних чорних дір, а також важливим з огляду на розумінням злиття галактик у ранньому Всесвіті.
Відстань між квазарами в кожній парі становить трохи більше 10 000 світлових років. Це свідчить про те, що вони належать до двох галактик, які зливаються [1]. Подвійні квазари — цікаві для астрономів, але рідкісні об’єкти, особливо в найвіддаленіших районах Всесвіту. Ми бачимо ці пари квазарів такими, якими вони були приблизно 10 мільярдів років тому [2].
«Ми підрахували, що у далекому Всесвіті на кожну тисячу квазарів припадає один подвійний квазар. Тож знайти ці подвійні квазари — це те саме, що знайти голку в копиці сіна», — зауважив Юе Шень (Yue Shen), астроном з Іллінойського університету та головний автор статті, в якій повідомлено про це відкриття.
Квазари — це дуже яскраві ядра далеких галактик, що отримують енергію від надмасивних чорних дір, які містяться в їхньому центрі [3]. Ці енергетичні об’єкти суттєво впливають на формування і еволюцію галактик. Тому спостереження пар квазарів у ранньому Всесвіті — це унікальний для астрономів спосіб, щоб дослідити еволюцію галактик, що зливаються. Пари квазарів також є природною лабораторією, в якій можна вивчати процеси, що ведуть до утворення подвійних надмасивних чорних дір.
«Це справді перший зразок подвійних квазарів у пікову епоху утворення галактик, який ми можемо використовувати для перевірки ідей про те, як надмасивні чорні діри об’єднуються, щоб врешті-решт утворити подвійні системи», — уточнила учасниця дослідження Надя Закамська (Nadia Zakamska) з Університету Джонса Гопкінса.
На цій ілюстрації зображений один із далеких подвійних квазарів. Підписи вказують на місце розташування квазарів, акреційних дисків (дисків речовини, що живлять кожну чорну діру), і материнських галактик квазарів, які перебувають у процесі злиття. Фото з сайту https://noirlab.edu.
Знайти дві пари квазарів було серйозною проблемою. Для цього знадобився новий метод, який поєднав дані спостережень кількох космічних та наземних телескопів, зокрема міжнародної обсерваторії Джеміні, що працює за програмою NOIRLab (National Optical-Infrared Astronomy Research Laboratory) Національного наукового фонду (NSF, National Science Foundation) США. Пари квазарів на таких великих відстанях можуть бути розділені на окремі компоненти лише за допомогою телескопів з високою просторовою роздільною здатністю, таких як «Габбл» чи Джеміні. Але спостережний час на цих телескопах є надто цінним, щоб використовувати його для перегляду великих ділянок нічного неба у пошуках рідкісних астрономічних об’єктів.
Щоб зосередити свої пошуки, дослідники спочатку визначили 15 квазарів для подальшого дослідження, використовуючи Sloan Digital Sky Survey (Слоанівський цифровий огляд неба), тривимірну карту об’єктів на нічному небі. Потім вони взяли спостережні дані від космічного зонда «Гея», щоб із цього списку визначити чотири потенційні пари квазарів [4]. Нарешті, за допомогою Космічного телескопа імені Габбла виконали спостереження цих кандидатів. «Габбл» зміг візуально розділити дві пари квазарів, що дало змогу за цим новим методом отримати 50% успіху.
Потім наукова група використала багатооб’єктний спектрограф Джеміні (Gemini Multi-Object Spectrograph, GMOS), встановлений на Джеміні північ (міститься на острові Мауна-Кеа на Гаваях), для підтвердження відкриття та подальшого дослідження однієї з пар квазарів [5]. Поєднання чутливості GMOS та гарних умов спостереження дало змогу науковцям отримати окремі спектри від обох квазарів у парі [6]. Ці спектри забезпечили науковій групі можливість незалежних вимірюваннь відстані до квазарів та їх складу. Також за даними цих спостережень астрономи підтвердили, що два квазари справді є парою, а не випадковим положенням на промені зору квазара із зорею переднього тла.
«Спостереження за допомогою Джеміні були критично важливими для нашого успіху, бо вони дали змогу отримати окремі спектри квазарів, щоб визначити величини їхніх червоних зміщень та спектроскопічно підтвердити, що це подвійний квазар», — пояснив Ю-Чінг Чен (Yu-Ching Chen), аспірант Іллінойського університету, який входив до складу наукової групи. «Цей метод однозначно відкидає можливі помилки через випадкові збіги положень об’єктів на небесній сфері, наприклад такі, як від непов’язаних систем зоря—квазар».
Хоча науковці впевнені у своєму відкритті, існує невелика ймовірність того, що вони насправді спостерігали подвійні зображення одиноких квазарів. Ці астрономічні двійники можуть бути сформовані за допомогою гравітаційного лінзування, яке виникає, коли масивна галактика заломлює і розщеплює світло від віддаленого об’єкта. Внаслідок гравітаційного лінзування часто виникає кілька зображень небесного об’єкта, які може фіксувати спостерігач. Дослідники впевнені, що це, однак, малоймовірно, бо вони в своїх спостереженнях не змогли виявити жодної галактики переднього тла.
Оскільки метод виявився дієвим, тепер дослідники планують виконати пошук більшої кількості пар квазарів, що зробити перепис подвійних квазарів у ранньому Всесвіті.
«Ця перевірка нового методу насправді демонструє, що наш цілеспрямований пошук подвійних квазарів є дуже ефективним», — підсумував Гсянґ-Чі Гванґ (Hsiang-Chih Hwang), аспірант Університету Джонса Гопкінса і головний дослідник під час спостережень, які науковці виконували за допомогою «Габбла». «Це відкриває новий напрямок, де ми можемо дібрати набагато більше цікавих об’єктів для подальшого спостереження, чого астрономи не змогли зробити за допомогою попередніх методів чи наборів даних».
«Це захопливе дослідження ще раз ілюструє потенціал, який має метод, що спирається на архівні дані оглядів зоряного неба у поєднанні з новими цілеспрямованими спостереженнями, виконаними за допомогою найсучасніших інструментів», — сказав Мартін Стіл (Martin Still), керівник програми «Джеміні» NSF. «Міжнародна обсерваторія Джеміні виявилася ідеальним інструментом для підтвердження ідентичності цих чорних дір та характеристики їхнього оточення».
Примітки
[1] Для порівняння, поперечник нашої галактики, Молочного Шляху, становить приблизно 100 тисяч світлових років.
[2] Відстань і час взаємопов’язані в астрономії. Що далі астрономічні об’єкти, то довше їхнє світло іде до Землі. Наприклад, у нашій планетній системі сонячному світлу потрібно трохи більше 8 хвилин, щоб дістатися до Землі, тобто ми бачимо Сонце таким, яким воно було 8 хвилин тому. У значно більших масштабах ми можемо спостерігати далекі галактики, якими вони були мільярди років тому. Такий взаємозв’язок дає змогу астрономам мати вікно в ранній Всесвіт. Одна пара квазарів має червоне зміщення 2,17, а пара, яку за допомогою телескопа Джеміні північ вдалося розділити методом спектроскопії, має червонезміщення 2,95.
[3] Ці чорні діри поглинають речовину з навколишнього середовища, що спричиняє появу інтенсивного випромінювання в електромагнітному спектрі. Кількість виділеної енергії величезна. Її достатньо, щоб яскравість квазара була вищою, ніж всієї галактики. Саме тому квазари є яскравими «маяками» на нічному небі.
[4] Космічний апарат «Гея» Європейського космічного агентства з ретельною точністю вимірює положення та відстань астрономічних об’єктів. «Гея» вимірює, як положення зір на небесній сфері змінюються, коли Земля обертається навколо Сонця, тобто ефект, відомий як паралакс. Віддалені квазари містяться занадто далеко від Землі, щоб у них можна було виміряти паралакси, але дослідники зрозуміли: пари квазарів можуть імітувати рух близьких до нас зір. Хоча ці пари квазарів у даних від «Гея» мають вигляд окремих цяток, випадкові коливання яскравості кожного квазара можуть зробити пару схожою на сусідню із Сонцем зорю, що зміщується туди-сюди. Ідентифікація квазарів за допомогою цього очевидного руху, дала змогу науковцям скласти список кандидатів пар квазарів для подальшого спостереження з використанням «Габбла».
[5] Спостереження на Джеміні північ були виконані в межах «Виділеного директорського часу» (Director’s Discretionary Time, DDT), невеликої частини спостережного часу, призначеного для тестування нових методів чи реагування на несподівані астрономічні події. DDT також можна використовувати для спостережень з високою невизначеністю результату, але, в разі успіху, з високою «винагородою»— таких, як в разі цього відкриття.
[6] Спектр випромінювання астрономічного об’єкта є мірою того, як інтенсивно об’єкт випромінює світло на різних довжинах хвиль. Він може дати змогу астрономам скласти уявлення про властивості об’єкта, такі як його хімічний склад, маса, температура та відстань до небесного тіла.
За інф. з сайту https://noirlab.edu підготував Іван Крячко
