Teleskop Jamesa Webba rozszyfrowuje czarne dziury we wczesnym wszechświecie

Niedawne obserwacje dwóch kwazarów z początków Wszechświata przeprowadzone przez Teleskop Kosmiczny Jamesa Webba ujawniają ważne spostrzeżenia na temat wczesnych powiązań między czarnymi dziurami i ich galaktykami, odzwierciedlając stosunki mas obserwowane w nowszym wszechświecie.

Nowe zdjęcia wykonane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) po raz pierwszy ujawniły światło gwiazd z dwóch masywnych galaktyk zawierających aktywnie rosnące czarne dziury – kwazary – widziane niecałe miliard lat po Wielkim Wybuchu. Czarne dziury mają masę około miliarda mas Słońca, a masy ich galaktyk macierzystych są około sto razy większe, co stanowi stosunek podobny do masy obserwowanej w młodszym wszechświecie. Jak wynika z niedawnych badań przeprowadzonych w 2016 roku, potężne połączenie szerokokątnego przeglądu teleskopu Subaru i Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba utorowało nowy sposób badania odległego Wszechświata. Natura.

Obserwacje gigantycznych czarnych dziur przyciągają w ostatnich latach uwagę astronomów. Teleskop Horyzontu Zdarzeń (EHT) rozpoczął obrazowanie „cienia” czarnych dziur w centrach galaktyk. Nagrodę za powieść w dziedzinie fizyki 2020 przyznano za obserwacje ruchu gwiazd w sercu galaktyki. droga Mleczna. Chociaż istnienie takich gigantycznych czarnych dziur jest dobrze ustalone, nikt nie zna ich pochodzenia.

Astronomowie donoszą o istnieniu czarnych dziur o masie miliarda mas Słońca w ciągu pierwszego miliarda lat istnienia Wszechświata. Jak więc te czarne dziury mogły urosnąć do tak dużych rozmiarów, gdy Wszechświat był tak młody? Jeszcze bardziej zagadkowe jest to, że obserwacje we wszechświecie lokalnym pokazują wyraźny związek pomiędzy masą supermasywnych czarnych dziur i masywniejszymi galaktykami, w których się one znajdują. Galaktyki i czarne dziury mają zupełnie różne rozmiary, więc co było pierwsze: czarne dziury czy galaktyki? Jest to problem typu „kura albo jajko” na poziomie kosmicznym.

Obraz HSC J2236+0032 z kamery JWST NIRCam 3,6 µm. Miniaturka, obraz kwazara i obraz galaktyki macierzystej po odjęciu światła kwazara (od lewej do prawej). Skala obrazu jest podana w latach świetlnych na każdym panelu. Źródło: Ding, Ono, Silverman i in.

Międzynarodowym zespołem badaczy kieruje Masafusa Ono, pracownik naukowy Kavli w dziedzinie astrofizyki w Instytucie Astronomii i Astrofizyki Kavli (KIAA) na Uniwersytecie w Pekinie oraz Shuheng Ding, pracownik naukowy w Instytucie Fizyki Kosmicznej i Matematyki Kavli (Kavli IPMU ). ) i John Silverman, profesor Kavli w IPMU, postanowili odpowiedzieć na to pytanie za pomocą Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST), 6,5-metrowy teleskop kosmiczny opracowany w ramach międzynarodowej współpracy pomiędzy… NASA, Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) i Kanadyjskiej Agencji Kosmicznej (CSA), a zostały wystrzelone w grudniu 2021 r.

Kwazary są jasne, podczas gdy ich galaktyki macierzyste są słabe, co utrudnia naukowcom wykrycie słabego światła galaktycznego w blasku kwazara, zwłaszcza na dużych odległościach. „Odnajdywanie galaktyk macierzystych kwazarów przy przesunięciu ku czerwieni 6 przypomina próbę dostrzeżenia świetlików podczas spektakularnego pokazu sztucznych ogni w zaparowanych okularach. Galaktyki macierzyste są niewiarygodnie słabe, a rozdzielczość obrazu była bardzo ograniczona, nawet przy Kosmiczny teleskop Hubble„Co sprawia, że ​​ujawnienie jego ukrytego piękna jest prawdziwym wyzwaniem” – mówi Xuheng Ding.

Artystyczna koncepcja Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba należącego do NASA. Źródło obrazu: NASA, ESA i Northrop Grumman

Zespół zaobserwował za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba dwa kwazary, HSC J2236+0032 i HSC J2255+0251, przy przesunięciu ku czerwieni wynoszącym 6,40 i 6,34, gdy Wszechświat miał około 860 milionów lat. Te dwa kwazary zostały pierwotnie odkryte podczas szeroko zakrojonych badań 8,2-metrowego teleskopu Subaru, za pomocą którego zespół badawczy zidentyfikował do tej pory ponad 160 kwazarów. Stosunkowo niska jasność tych kwazarów czyni je głównymi celami do pomiaru właściwości ich galaktyk macierzystych, a pomyślne odkrycie gwiazd stanowi pierwszą w historii epokę, w której wykryto światło gwiazd w kwazarze.

Obrazy kwazarów w podczerwieni o długości fali 3,56 i 1,50 mikrona wykonano za pomocą instrumentu NIRCam należącego do JWST, a galaktyki macierzyste stały się widoczne po dokładnym modelowaniu i odjęciu blasku akreujących czarnych dziur. Sygnatura gwiazdowa galaktyki macierzystej była również widoczna w widmie zarejestrowanym przez NIRSpec J2236+0032 JWST, co potwierdza odkrycie galaktyki macierzystej. „Od czasu studiów doktoranckich w Narodowym Obserwatorium Astronomicznym Japonii jestem głęboko zaangażowany w prowadzone przez Subaru badania kwazarów o dużym przesunięciu ku czerwieni. Jestem niezwykle dumny z udanego wykrycia światła gwiazd z kwazarów HSC, które odkryliśmy za pomocą Subaru” – mówi Masafusa Onoe.

Xuheng Ding, badacz projektu Kavli IPMU, profesor John Silverman i Instytut Astronomii i Astrofizyki Kavli (PKU-KIAA) Kavli Astrophysics Fellow Masafusa Onoue (od lewej). Źródło: Kavli IPMU, Kavli IPMU, Masafusa Onoue

Na podstawie obserwacji zespół stwierdził, że… Czarna dziura Masa galaktyki macierzystej jest podobna do masy obserwowanej w młodszym wszechświecie. Wynik sugeruje, że związek między czarnymi dziurami a ich gospodarzami istniał już przez pierwszy miliard lat po eksplozji wielka eksplozja. Zespół będzie kontynuował badania na większej próbce odległych kwazarów, mając na celu ograniczenie historii koewolucyjnego wzrostu czarnych dziur i ich galaktyk macierzystych w czasie kosmicznym. Obserwacje te ograniczą modele koewolucji czarnych dziur i ich galaktyk macierzystych.

Przeczytaj więcej o tym odkryciu na stronie Researchers Discover Quasar Host Galaxies in the Early Universe.

Odniesienie: „Wykrywanie światła gwiazdowego z galaktyk macierzystych kwazarów przy przesunięciu ku czerwieni większym niż 6”: Shuheng Ding, Masafusa Onui, John D. Silverman, Yoshiki Matsuoka, Takuma Izumi, Michael A. Straussa, Knuda Janke, Camryn L. Phillips, Junyao Li, Marta Voluntieri, Zoltan Heymann, Erham Tawfik Andika, Kentaro Aoki, Shunsuke Baba, Rebecca Perry, Sarah E. Bosman, Connor Bottrell, Anna-Kristina Ehlers, Seiji Fujimoto, Melanie Haposet, Masatoshi Imanishi, Kohei Inayoshi, Kazushi Iwasawa, Nobunari Kishikawa, Toshihiro. Kawaguchi, Kotaro Kohno, Shin-Hsiu Lee, Alessandro Lupi, Jianwei Liu, Toru Nagao, Roderick Overzer, Jan Torg Schindler, Malte Schramm, Kazuhiro Shimasako, Yoshiki Toba, Benny Trachtenbrot, Maxim Trebich, Tommaso Trieu, Hideki Umehata, Bram B. Vennemans, Marianne Vestergaard, Fabian Walter, Feig Wang i Jenny Yang, 28 czerwca 2023 r., Natura.
doi: 10.1038/s41586-023-06345-5