Астрономи давно прагнули зрозуміти ранній Всесвіт, і завдяки космічному телескопу Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope, JWST) виявили важливий фрагмент головоломки. Інфрачервоні «очі» телескопа помітили низку маленьких червоних точок, визнаних одними з найдавніших галактик, утворених у Всесвіті.
Це дивовижне відкриття — не просто візуальне диво, це підказка, що може дати змогу розкрити таємниці того, як галактики та їхні загадкові чорні діри почали своє космічне існування.
«Дивовижне відкриття, зроблене за допомогою Джеймса Вебба, полягає в тому, що у Всесвіті є не тільки ці дуже компактні та яскраві в інфрачервоному діапазоні об’єкти, але ймовірно, це райони, де вже існують величезні чорні діри», — пояснив співробітник JILA (Joint Institute for Laboratory Astrophysics) та професор астрофізики Колорадського університету в Боулдері Мітч Беґельман (Mitch Begelman). «Досі астрономи вважали, що це неможливо».
Беґельман і група інших астрономів, до якої входив Джо Сілк (Joe Silk), професор астрономії з Університету Джона Гопкінса, опублікували свої висновки в The Astrophysical Journal Letters, припускаючи, що для пояснення існування цих величезних чорних дір потрібні нові теорії утворення галактик.
«Потрібно щось нове, щоб узгодити теорію формування галактик з новими даними», — сказав Сілк, головний автор потенційно новаторського дослідження.
Традиційні уявлення про утворення галактик
Розмірковуючи про те, як утворилися галактики, астрономи досі вважали, що цей процес є певною мірою впорядкованою еволюцією. Наявні теорії стверджують, що галактики утворюються поступово, формуючись протягом мільярдів років. У цьому повільному космічному розвитку першими, згідно з уявленнями науковців, виникають зорі, освітлюючи первісну темряву.
«Ідея полягала в тому, що від цього раннього покоління зір ви переходите до галактик, де справді переважають зорі», — додав Беґельман. «Потім, наприкінці цього процесу, ви починаєте будувати ці чорні діри».
Тобто, надмасивні чорні діри, ці загадкові та потужні об’єкти, згідно з усталеними досі уявленнями, виникають після появи перших зір і тихо ростуть у ядрі галактики. Їх розглядали як регулятори, які час від часу спрацьовували, щоб стримувати утворення нових зір, таким чином підтримуючи баланс в галактиці.
Загальноприйнятій думці кинуто виклик
Завдяки спостереженням за «маленькими червоними цятками» («little red dots»), виконаним за допомогою JWST, дослідники виявили, що перші галактики у Всесвіті були яскравішими, ніж очікувалося, бо в багатьох із них зорі співіснують із активними центральними чорними дірами, відомими як квазари.
«Квазари — найяскравіші об’єкти у Всесвіті, — пояснює Сілк. «Їхню появу спричиняє акреція газу на масивні чорні діри в ядрах галактик, які створюють величезну яскравість, перевершуючи за цим параметром материнські галактики. Вони схожі на монстрів у гнізді зозулі».
Побачивши співіснування зір із чорними дірами, дослідники швидко зрозуміли, що загальноприйняті теорії формування галактик, ймовірно, помилкові. «[Ці нові дані] вказують на те, ніби [процес] є зворотним, що ці чорні діри утворилися разом із першими зорями, а потім вже решта галактики», — сказав Беґельман. «Ми говоримо, що зростання чорної діри спочатку сприяє зорям. І лише пізніше, коли умови змінюються, вона переходить у режим протидії формуванню зір».
Взявши до уваги цей новий процес, дослідники виявили: зв’язок між утворенням зір і чорних дір є тіснішим, ніж очікувалося, бо на початку кожен посилював ріст іншого за допомогою процесу, відомого як позитивний зворотний зв’язок.
«Утворення зір прискорює утворення масивної чорної діри, і навпаки, у нерозривно пов’язаній взаємодії насильства, народження та смерті, що є новим у процесі утворення галактик», — сказав Сілк.
Потім, майже через мільярд років, надмасивні чорні діри стали пригнічувати й припиняти зореутворення, виснажуючи газові резервуари у своїх галактиках. Цей «негативний зворотний зв’язок» був наслідком енергозберігаючих відтоків — потужних вітрів, які виганяли газ із галактик, позбавляючи їх матеріалу, потрібного для створення нових зір.
Нова шкала часу галактик
Спираючись на виявлену поведінку чорних дір, дослідники запропонували новий графік переходу від позитивного до негативного зворотного зв’язку на ранніх етапах формування галактик. Зважаючи на спектри та хімічний склад цих «маленьких червоних цяток», дослідники припустили, що це відбулося приблизно 13 мільярдів років тому, тобто майже через один мільярд років після Великого Вибуху. Це період розвитку Всесвіту, який астрономи класифікують значенням червоного зміщення z ≈ 6.
Визначення цієї перехідної епохи допоможе астрономам націлитися на певні періоди в історії Всесвіту для виконання спостережень. Майбутні спостереження за допомогою телескопів, таких як JWST та інших, будуть ефективніші для вивчення раннього Всесвіту. Крім того, розуміючи, коли відбулася така зміна, астрономи можуть краще співвіднести характеристики сучасних галактик, зокрема розмір, форму, склад зір і рівень активності.
Перевірка нового процесу
Щоб підтвердити нову теорію утворення галактик за спільної участи зір і чорних дір та забезпечити подальше розуміння процесів, які при цьому відбуваються, потрібне комп’ютерне моделювання.
«Це займе деякий час», — сказав Беґельман. «Комп’ютерне моделювання, яке використовували дотепер є досить примітивним, а нам потрібна висока роздільна здатність, щоб зрозуміти все. Це вимагає великої обчислювальної потужності та коштує дорого». Поки це трапиться, астрономічна спільнота може зробити інші кроки, щоб переглянути та підтвердити цю нову теорію.
«Наступні кроки буде зроблено через покращення спостережень», — додав Сілк. «Всю потужність JWST для вивчення спектрів найвіддаленіших галактик буде розкрито протягом наступних років».
І Беґельман, і Сілк оптимістично налаштовані щодо того, як інші представники їхньої галузі сприймуть запропоновану ними ідею. «Наскільки мені відомо, ми перші, хто пішов у такому екстремальному напрямку», — додав Беґельман. «Протягом багатьох років я розширював рамки, коли мої співробітники працювали над проблемою утворення чорної діри. Але JWST показує нам, що ми не досить сильно мислили нестандартно».
За інф. з сайту https://phys.org підготував Іван Крячко
