Завдяки надзвичайно вдосконаленим можливостям сучасних телескопів, астрономи пробують глибше у космос і далі у часі. Роблячи це, вони змогли розкрити кілька давніх таємниць про те, як розвивалася Всесвіт після Великого вибуху. Однією з таких загадок є те, як надмасивні чорні діри (SMBH), які відіграють вирішальну роль в еволюції галактик, сформованих під час раннього Всесвіту.
За допомогою дуже великого телескопа ESO в Чилі міжнародна команда астрономів спостерігала галактики, оскільки вони з'явилися приблизно через 1,5 мільярда років після Великого вибуху (приблизно 12,5 мільярда років тому). Дивно, але вони спостерігали великі резервуари прохолодного водню, які могли б забезпечити достатнє «джерело їжі» для SMBH. Ці результати можуть пояснити те, як СМББ зростали так швидко за період, відомий як Космічний світанок.
Команду очолювали доктор Емануеле Паоло Фаріна з Інституту астрономії Макса Планка (MPIA) та Інституту астрофізики Макса Планка (MPA). До нього приєдналися дослідники як MPIA, так і MPA, Європейської південної обсерваторії (ESO), UC Santa Barbara, Астрофізичної обсерваторії Arcetri, Обсерваторії астрофізики та космічних наук Болоньї та Інституту позаземної фізики Макса Планка (MPEP).
Десятиліттями астрономи вивчали СМББ, які існують в ядрі більшості галактик і ідентифікуються їх активними галатичними ядрами (AGN). Ці ядра, які також відомі як квазари, можуть випромінювати більше енергії та світла, ніж решта зірок у галактиці разом узятих. На сьогоднішній день найвіддаленішим з них є ULAS J1342 + 0928, який знаходиться за 13,1 мільярда світлових років.
Враховуючи, що перші зірки, за оцінками, утворилися лише через 100 000 років після Великого вибуху (приблизно 13,8 мільярда років тому), це означає, що SMBH повинні були швидко сформуватися з перших зірок, щоб померти. До сих пір астрономи не знайшли пилу та газу в достатній кількості протягом раннього Всесвіту, щоб пояснити це швидке зростання.
Крім того, попередні спостереження, проведені з великим міліметровим / субміліметровим масивом Atacama (ALMA), показали, що ранні галактики містять багато пилу та газу, що сприяло швидкому утворенню зірок. Ці висновки вказували на те, що для живлення чорних дір не залишилося б багато матеріалу, що лише поглибило таємницю того, як вони теж так швидко зростали.
Для вирішення цього питання Фаріна та його колеги покладалися на дані, зібрані інструментом багатофункціонального спектроскопічного дослідника VLT (MUSE) для обстеження 31 квазарів на відстані близько 12,5 мільярда світлових років (таким чином спостерігаючи, як вони виглядали 12,5 мільярда років тому). Це робить їх опитування одним із найбільших зразків квазарів цього раннього періоду Всесвіту. Вони знайшли 12 розширених і напрочуд густих водневих хмар.
Ці водневі хмари були визначені за їх характерним сяйвом ультрафіолетовому світлі. Враховуючи відстань і ефект червоного зміщення (де довжина хвилі світла розтягується через космічне розширення), наземні телескопи сприймають світіння як червоне світло. Як пояснила Фаріна у прес-релізі MPIA:
“Найбільш вірогідним поясненням сяючого газу є механізм флуоресценції. Водень перетворює багате на енергію випромінювання квазара у світло із заданою довжиною хвилі, що помітно проблиском.”
Хмари прохолодного густого водню - які в кілька мільярдів разів перевищували масу Сонця - утворювали ореоли навколо ранніх галактик, що простягалися на 100 000 світлових років від центральних чорних дір. Зазвичай виявити такі хмари навколо квазарів (які інтенсивно яскраві) досить складно. Але завдяки чутливості інструменту MUSE - який Фаріна назвав «змінником гри» - команда знайшла їх досить швидко.
Як сказала Алісса Дрейк, науковий співробітник MPIA, який також сприяв дослідженню:
“Завдяки нинішнім дослідженням ми лише починаємо досліджувати, як перші надмасивні чорні діри змогли розвиватися так швидко. Але нові інструменти на зразок MUSE та майбутнього космічного телескопа Джеймса Вебба допомагають нам вирішувати ці захоплюючі головоломки.”
Команда виявила, що ці газові ореоли були щільно пов'язані з галактиками, забезпечуючи ідеальне «джерело їжі» для підтримки як швидкого утворення зірок, так і зростання надмасивних чорних дір. Ці спостереження ефективно розгадують таємницю того, як надмасивні чорні діри могли існувати так рано в історії Всесвіту. Як підсумовує Фаріна:
“Зараз ми можемо вперше продемонструвати, що споконвічні галактики мають достатню кількість їжі у своєму середовищі, щоб підтримувати як зростання надмасивних чорних дір, так і енергійне утворення зірок. Це додає головоломки до головоломки, яку астрономи будують, щоб зобразити, як космічні структури формувалися понад 12 мільярдів років тому.”
В майбутньому астрономи матимуть ще більш досконалі прилади, за допомогою яких можна вивчити галактики та СМББ у ранньому Всесвіті, які мають розкрити ще більше деталей про давні газові хмари. Сюди входить надзвичайно великий телескоп ESO (ЕЛТ), а також космічні телескопи, такі як космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST).
Дослідження, що описує результати роботи команди, з'явилося у випуску 20 грудня Астрофізичний журнал.
