Учёные, используя космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST), обнаружили одинокие сверхмассивные квазары, питаемые энергией чёрных дыр, на расстоянии 13 миллиардов лет назад. Это открытие ещё больше запутывает загадку того, как некоторые чёрные дыры выросли до масс, эквивалентных миллионам или даже миллиардам солнц, когда Вселенной было менее миллиарда лет.

Результаты были получены после того, как группа учёных использовала JWST для изучения окружения пяти самых ранних известных квазаров, которые образовались, когда Вселенной было от 600 до 700 миллионов лет. Группа обнаружила, что окружение этих квазаров, известное как «квазарные поля», было на удивление разнообразным. Некоторые из них представляли собой плотно упакованные окружения, которые предсказывали учёные, а другие представляли собой малонаселённые «пустые кладовые», которые с трудом могли бы питать рост сверхмассивных чёрных дыр.

Изображение древнего сверхмассивного квазара, питаемого чёрной дырой, в ранней Вселенной, полученное телескопом JWST. Источник: Christina Eilers / EIGER team

«Вопреки прежним представлениям, мы обнаружили, что в среднем эти квазары не обязательно находятся в областях с самой высокой плотностью в ранней Вселенной. Некоторые из них, похоже, находятся где-то в "глуши". Трудно объяснить, как эти квазары могли вырасти такими большими, если им, по-видимому, нечем было питаться», — расказала доцент кафедры физики Массачусетского технологического института Анна-Кристина Эйлерс.

Сверхмассивные чёрные дыры, как полагают, скрываются в сердце всех крупных галактик в относительно современной Вселенной. Поскольку ни одна звезда не является достаточно большой, чтобы сколлапсировать, а чёрные дыры обладают колоссальными массами, учёные считают, что сверхмассивные чёрные дыры должны формироваться иными способами, чем чёрные дыры звёздной массы с массами от 10 до 100 масс Солнца, образовавшиеся в результате гибели массивных звёзд.

Сверхмассивные чёрные дыры могут расти за счёт слияний всё более крупных чёрных дыр, предполагают модели — однако проблема в том, что этот процесс должен занять более 1 миллиарда лет. Тем не менее, JWST видит сверхмассивные чёрные дыры, которые образовались за гораздо меньшее время.

Их можно увидеть, потому что они находятся в турбулентных, богатых газом средах, называемых активными ядрами галактик (AGN), из которых они питаются, что также способствует их росту. Огромная масса чёрных дыр в этих средах заставляет облака газа и пыли вокруг них ярко светиться, часто затмевая объединённый свет каждой звезды в галактике, в которой они находятся. Этот свет, в триллионы раз ярче Солнца, указывает на квазар. Однако сверхмассивным чёрным дырам нужна «служба доставки», чтобы снабжать их газом и пылью для достижения этой невероятной светимости.

Иллюстрация сверхмассивной чёрной дыры, питающей квазары. Источник: NASA / JPL–Caltech

«Просто феноменально, что у нас есть телескоп, который может улавливать свет 13 миллиардов лет назад в таких подробностях. Впервые JWST позволил нам изучить окружающую среду этих квазаров, где они выросли и каково было их окружение», — сказала Эйлерс.

Для исследования более обширных окрестностей квазаров группа выбрала пять регионов, находящихся под воздействием сверхмассивных чёрных дыр, которые JWST изучал в период с августа 2022 года по июнь 2023 года. Для этого потребовалось «склеить» несколько изображений, чтобы создать мозаику поля квазаров для каждого региона сверхмассивных чёрных дыр.

Обрабатывая различные длины волн света на изображениях, также удалось определить, исходит ли свет от соседней с квазаром галактики, и измерить, насколько далеко эта галактика возникла в ярком центральном квазаре.

«Мы обнаружили, что единственное различие между этими пятью квазарами заключается в том, что их окружение выглядит настолько по-разному. Например, вокруг одного квазара находится почти 50 галактик, а вокруг другого — всего две. И оба квазара находятся в пределах одного размера, объёма, яркости и времени. Это было удивительно», — добавила Эйлерс.

Результаты работы команды бросают вызов идее роста сверхмассивных чёрных дыр и даже формированию галактик в целом. Текущее понимание заключается в том, что эта эволюция направлялась обширной «космической паутиной» тёмной материи, которая составляет около 85% всей материи, но остается фактически невидимой для нас.

Нити тёмной материи в космической паутине направляли газ и пыль в ранней Вселенной, притягивая первичную материю. Там, где встречались нити этой «космической паутины», скапливались чрезмерно плотные области материи. Здесь были образованы ранние галактики, и должны быть обнаружены первые квазары.

«"Космическая паутина" тёмной материи — это надёжное предсказание нашей космологической модели Вселенной, и её можно подробно описать с помощью численного моделирования. Сравнивая наши наблюдения с этими моделированиями, мы можем определить, где в "космической паутине" находятся квазары», — объяснил руководитель группы иаспирант Лейденского университета, Элии Пиццати.

Иллюстрация галактики с квазаром, растущим там, где встречаются нити «космической паутины» Источник: Robert Lea (canva)

Сверхмассивные чёрные дыры, расположенные в этих узлах «космической паутины», должны расти за счёт постоянной и быстрой аккреции газа и пыли, поставляемых «космической паутиной». Это позволило бы квазарам достичь колоссальных масс и чрезвычайной яркости. Однако учёным ещё предстоит узнать, как это произошло на столь раннем этапе истории Вселенной.

«Главный вопрос, на который мы пытаемся ответить, заключается в том, как образуются эти чёрные дыры с массой в миллиард солнечных масс, когда Вселенная ещё очень, очень молода? Она всё ещё находится в стадии "младенчества"», — сказала Эйлерс.

Похоже, что это исследование подняло больше вопросов, чем ответило на те, которые уже беспокоят учёных. Пустые окрестности, похоже, указывают на отсутствие тёмной материи и сверхплотность узлов «космической паутины». Если это так, то современные теории механизмов роста не могут объяснить эти квазары.

Одно из возможных решений этой загадки заключается в том, что эти ранние квазары на самом деле окружены космической пылью и, следовательно, не видны. Теперь команда намерена сосредоточить свои наблюдения за этими потенциально пустыми полями квазаров, чтобы обнаружить любые такие окутанные галактики.

«Наши результаты показывают, что всё ещё не хватает значительной части головоломки о том, как растут эти сверхмассивные чёрные дыры. Если вокруг недостаточно материала, чтобы некоторые квазары могли расти непрерывно, то это означает, что должен быть какой-то другой способ, которым они могут расти, который ещё предстоит выяснить», — заключила Эйлерс.

Исследование группы было опубликовано в The Astrophysical Journal.

Подробнее на iXBT