Космический телескоп JWST впервые представил изображения, на которых видно свечение двух огромных галактик с активно растущими черными дырами, их также называют квазарами. Эти галактики были наблюдаемы менее чем миллиард лет после Великого взрыва.
Согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature, размеры этих черных дыр близки к Солнцу, но в миллиард раз превышают его вес, а массы самих галактик почти в сто раз больше, чем масса черных дыр. Это соотношение схоже с тем, что наблюдается в более поздней эпохе Вселенной. Комбинация телескопов Subaru и JWST открывает новые горизонты для исследования древней Вселенной.
Существование таких массивных черных дыр в древней Вселенной возбуждает у астрофизиков больше вопросов, чем ответов. Как они могли достичь таких огромных размеров, когда Вселенная была на стадии своей молодости? Ещё загадочнее то, что наблюдения в ближайшей Вселенной показывают чёткую связь между массой сверхмассивных черных дыр и много крупными галактиками, в которых они находятся. Галактики и черные дыры имеют значительные различия в размерах, поэтому вопрос о том, что возникло раньше — черные дыры или галактики, стоит как космическая версия загадки "что появилось первым — курица или яйцо?".
Международная группа исследователей под руководством профессора Института физики и математики Вселенной Кавли (IPMU Кавли) Сюэн Динга и профессора Джона Сильвермана, а также научного сотрудника Института астрономии и астрофизики Кавли Пекинского университета (PKU-KIAA) Масафуса Оноуэ начали исследовать этот вопрос с помощью JWST, который был запущен в декабре 2021 года. Изучение взаимосвязи между родительскими галактиками и черными дырами в ранней Вселенной позволяет ученым следить за их эволюцией и понять, как они взаимодействуют друг с другом.
Квазары светятся, в то время как их родительские галактики тускнеют, что затрудняет обнаружение слабого света галактик в ярком свечении квазаров, особенно на больших расстояниях. Пока что только телескоп Hubble мог обнаруживать родительские галактики сверкающих квазаров, но это было возможно только для Вселенной, которой было менее 3 миллиардов лет.
Но благодаря улучшенной чувствительности и инфракрасным изображениям JWST, исследователи могут теперь наблюдать эти процессы в самом начале эволюции квазаров и галактик. Недавно, всего через несколько месяцев после начала работы JWST, команда провела наблюдения двух квазаров, HSC J2236+0032 и HSC J2255+0251, на красных смещениях 6,40 и 6,34, соответственно, когда Вселенной было около 860 миллионов лет.
Эти два квазара были обнаружены в рамках глубоких исследований 8,2-метрового телескопа Субару на Гавайях. Низкая светимость квазаров сделала их отличными объектами для измерения свойств родительских галактик, и успешное обнаружение хозяев представляет собой первый случай, когда свет звёзд родительской галактики был замечен в свечении квазара.
Изображения двух квазаров были получены с использованием инструмента NIRCam JWST в инфракрасной области спектра с длинами волн 3,56 и 1,50 микрона. Родительские галактики стали видны после сложной обработки данных и удаления света от аккрецирующих черных дыр. Свет подписи звёзд в родительской галактике был также виден в спектре, полученном с помощью JWST NIRSPEC, подтверждая наличие родительских галактик.
Анализ фотометрии родительских галактик указал на то, что массы этих двух галактик-родителей квазаров составляют 130 и 34 миллиарда раз массу Солнца соответственно. Измерение скорости турбулентного газа в окрестностях квазаров через спектры NIRSPEC позволило предположить, что черные дыры, которые их питают, также обладают огромными массами: 1,4 и 0,2 миллиарда раз массу Солнца соответственно. Это соотношение массы черной дыры к массе родительской галактики аналогично связи, которую мы видим в современной Вселенной, что указывает на то, что связь между черными дырами и их родителями существовала уже через 860 миллионов лет после Великого взрыва.
Динг, Сильверман, Оноуэ и их коллеги продолжат это исследование, используя более крупные выборки данных с будущих наблюдений JWST, что позволит ещё глубже понять процессы совместной эволюции черных дыр и их родительских галактик. Команда также получила дополнительное время на JWST для более детального изучения родительской галактики J2236+0032.
