Загадка «Напоавааэнакаулуа»: астрономы нашли самую древнюю пару квазаров, которой «не должно существовать»

Что нашли астрономы

Используя космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST), астрономы обнаружили самую древнюю пару квазаров, питаемых сверхмассивными чёрными дырами, из когда-либо виденных. Есть только одна проблема: их не должно существовать! Компактная пара квазаров, замеченная с помощью телескопа Gemini North, получила обозначение J1602+4228AB и прозвище Nāpōwawāʻenakaulua, что означает «Два небесных тела бездонной могущественной тьмы в сиянии жара, перевоплощающего энергию во Вселенную». Пара видна такой, какой она была через 900 миллионов лет после Большого взрыва — в то время, когда у таких сверхмассивных чёрных дыр не должно было быть времени вырасти до столь огромных масс.

Nāpōwawāʻenakaulua — не просто самая древняя и далёкая пара квазаров из когда-либо виденных. Между сверхмассивными чёрными дырами всего 18 100 световых лет, или примерно одна пятая диаметра Млечного Пути, а их массы составляют 1,5 миллиарда и 400 миллионов масс Солнца. Это делает Nāpōwawāʻenakaulua самой компактной парой квазаров, найденной в период истории Вселенной, известный как Космический рассвет, вскоре после рождения первых звёзд, галактик и чёрных дыр.

«Не существует окончательного теоретического объяснения того, как хотя бы один из этих гигантских квазаров существует так рано в истории нашей Вселенной, не говоря уже о двух, — сказала руководитель исследовательской группы Сильвия Онорато из NOIRLab. — Мы наблюдали Nāpōwawāʻenakaulua в то время, когда Вселенной было всего одна тринадцатая её возраста, и, что удивительно, её сверхмассивные чёрные дыры столь же массивны, как те, что мы видим сегодня».

Как возникают квазары

Квазары возникают, когда сверхмассивные чёрные дыры в центрах крупных галактик окружены плоским облаком закрученного газа и пыли, называемым «аккреционным диском», из которого они питаются, или «аккрецируют» материю. Огромная гравитация центральной чёрной дыры вызывает трение, нагревающее аккреционный диск и заставляющее его светиться — часто ярче, чем совокупный свет всех звёзд окружающей галактики. Мы видим это свечение как квазар.

Находить такие объекты в недавней космической истории 13,8-миллиардолетней Вселенной не тревожно, хотя обнаружение компактных пар по-прежнему крайне редко. Такие пары должны быть обычным явлением, потому что слияние галактик, сводящее вместе сверхмассивные чёрные дыры, происходит часто. Это должно приводить к изобилию пар квазаров с расстоянием меньше типичного размера галактики. Однако есть три причины, по которым это оказалось сложным. Во-первых, «квазарная фаза» сверхмассивной чёрной дыры относительно коротка в космических масштабах. Во-вторых, даже относительно близкие пары квазаров находятся очень далеко, что делает их тусклыми и трудными для обнаружения наземными телескопами. Наконец, на таких огромных расстояниях и при таком малом расстоянии между двумя сверхмассивными чёрными дырами отдельных членов пары квазаров трудно различить по отдельности.

И всё же астрономы находят пары квазаров. Иногда на расстояниях и в времена, которые они, вероятно, предпочли бы не видеть, потому что это бросает вызов всему, что мы знаем о росте чёрных дыр.

В чём проблема

Трудности возникают до того, как Вселенной исполнился 1 миллиард лет. Согласно текущим моделям, чёрным дырам должно потребоваться как минимум 1 миллиард лет, чтобы питаться и сливаться достаточно, чтобы достичь масс в миллионы или миллиарды раз больше массы Солнца. Однако с момента начала работы в 2022 году JWST регулярно обнаруживает сверхмассивные чёрные дыры, питающие квазары, уже через 400 миллионов лет после Большого взрыва. И если этого было недостаточно, открытие Nāpōwawāʻenakaulua — третьей пары квазаров, увиденной на Космическом рассвете, — может действительно сломать текущие модели.

Nāpōwawāʻenakaulua была обнаружена в данных обзора Aether с JWST, который проводит перепись объектов ранней Вселенной. Используя инструмент NIRSpec (интегральная полевая единица ближнего инфракрасного спектрографа) JWST, обзор выявил 200 квазаров — чуть меньше половины всех известных на данный момент квазаров ранней Вселенной. Именно просматривая набор данных Aether, команда обнаружила, что квазар J1602+4228A не одинок: у него есть компаньон, теперь обозначенный как J1602+4228B.

Разрешить эти два квазара с Земли должно было быть почти невозможно. Но это стало возможным для Gemini North благодаря идеальному времени и идеальным погодным условиям над Маунакеа — спящим вулканом на острове Гавайи, где расположен телескоп.

Nāpōwawāʻenakaulua — определённо научный подвиг, но пока остаётся загадкой. Однако это открытие может помочь учёным лучше понять, как галактики собирались вместе во время Космического рассвета — важнейшего этапа эволюции Вселенной. «Nāpōwawāʻenakaulua — действительно уникальная среда, — сказала Онорато. — Это лаборатория для астрономов, чтобы изучать, как самые первые массивные галактики и их центральные чёрные дыры собирались вместе посредством прямых галактических взаимодействий в эти ранние времена».

Результаты команды были опубликованы во вторник (10 ноября) в The Astrophysical Journal Letters.

Источники: The Astrophysical Journal Letters, NOIRLab, Международная обсерватория Gemini, NASA/JWST.