У 1970-х роках астрономи дійшли висновку, що постійне радіоджерело, яке випромінює із центра нашої галактики радіохвилі, насправді є надмасивною чорною дірою (supermassive black hole, SMBH). Ця чорна діра, відома тепер як Стрілець A*, у понад 4 мільйони масивніша, ніж Сонце, і її можна виявити за випромінюванням, яке виходить з її околиць на кількох довжинах хвиль. Відтоді з’ясовано, що SMBH містяться в центрі більшості великих галактик і деякі з яких набагато масивніші за нашу! Згодом астрономи виявили взаємозв’язок між властивостями галактик і масою їхніх SMBH, що свідчить: вони еволюціонують разом.
За допомогою інструмента GRAVITY+, встановленому на Дуже великому телескопі-інтерферометрі (Very Large Telescope Interferometer, VLTI), наукова група з Інституту позаземної фізики імені Макса Планка нещодавно виміряла масу SMBH в галактиці SDSS J092034.17+065718.0. Вона лежить на відстані приблизно 11 мільярдів світлових років від Сонячної системи. Тобто цю галактику спостерігали, коли Всесвіту було лише два мільярди років. На свій подив, науковці виявили, що SMBH «важить» скромні 320 мільйонів сонячних мас, що значно менше, як порівняти з масою материнської галактики. Це відкриття може змінити наше розуміння взаємозв’язку між галактиками та чорними дірами, що містяться в їхніх центрах.
Зв’язок між властивостями галактики та її SMBH багато разів спостерігали в місцевому (локальному) Всесвіті. Щоб визначити, чи завжди це було нормою, астрономи з нетерпінням чекали, щоб поглянути на галактики, які існували в епоху так званого «Космічного світанку» (Cosmic Dawn) — періоду незабаром після Великого Вибуху, коли утворилися перші галактики. Однак дуже складно (або навіть неможливо) виміряти маси чорних дір для цих далеких галактик за допомогою традиційних прямих методів, навіть якщо для цього використовувати квазари («квазізоряні об’єкти»).
Ілюстрація спостережень за допомогою GRAVITY+ квазара в ранньому Всесвіті. © T. Shimizu (Т. Шимізу); зображення тла: NASA/WMAP; ілюстрація квазара: ESO/ M. Kornmesser (M. Корнмессер); VLT array: ESO/G. Hüdepohl (Ґ. Гюдепогл). Фото з сайту www.universetoday.com.
Цей особливо яскравий клас галактик є підмножиною галактик із дуже активними галактичними ядрами (Active Galactic Nuclei, AGN). У таких об’єктів центральна ділянка затьмарює всі зорі в диску. На щастя, телескопи та інструменти нового покоління дають змогу астрономам вперше побачити такі ранні галактики. До таких інструментів належить GRAVITY на VLTI, який методом інтерферометрії поєднує світло від усіх чотирьох 8-метрових телескопів Дуже великого телескопа Європейської південної обсерваторії. Це дає змогу створювати своєрідний умовний телескоп з діаметром об’єктива 130 метрів.
Завдяки останнім оновленням наступника інструмента GRAVITY (GRAVITY+) астрономи можуть точно вивчати процеси росту чорних дір в іншу важливу епоху під назвою «Космічний полудень» (Cosmic Noon), коли і чорні діри, і галактики швидко зростали. «У 2018 році ми зробили перші проривні вимірювання маси чорної діри квазара за допомогою GRAVITY. Однак цей квазар був зовсім поруч», — сказав Таро Шимізу (Taro Shimizu), науковий співробітник Інституту позаземної фізики Макса Планка. «Тепер ми досягли червоного зміщення 2,3, що відповідає часу спостережень в 11 мільярдів років».
Завдяки покращеній продуктивності GRAVITY+ астрономи можуть розширювати межі спостережень та робити зображення чорних дір у ранньому Всесвіті в 40 разів чіткіші, ніж це можливо навіть за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope, JWST). За допомогою GRAVITY+ наукова група змогла визначити рух газу та пилу в космічному просторі, які утворюють акреційний диск навколо центральної чорної діри SDSS J092034.17+065718.0. Це дало змогу прямо виміряти масу центральної чорної діри.
На малюнку художника зображено надмасивну чорну діру з швидким обертанням, оточену акреційним диском. Авторські права на зображення: ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser (М. Корнмессер). Фото з сайту www.universetoday.com.
Ця чорна діра (її маса становить 320 мільйонів сонячних мас) фактично менша масою, як порівняти її з масою галактикою, що має масу близько 60 мільярдів сонячних мас. Це свідчить про те, що материнська галактика росла швидше, ніж SMBH у її центрі. Отже, для деяких галактик існує затримка між ростом галактики та чорної діри.
Цзіньї Шанґуань (Jinyi Shangguan), науковець Інституту позаземної фізики імені Макса Планка й учасник дослідницької групи сказав: «Ймовірним сценарієм еволюції цієї галактики є сильний зворотний зв’язок наднової, коли ці вибухи зір викидають газ із центральної ділянки, перш ніж він досягне чорної діри в центрі галактики. Чорна діра може почати швидко рости — і наздогнати зростання галактики загалом — коли галактика стане досить масивною, щоб утримувати газовий резервуар у своїх центральних районах навіть всупереч зворотному зв’язку наднової».
Рухаючись вперед, наукова група планує виконати подальші спостереження інших галактик в епоху Космічного полудня і зробити високоточні вимірювання мас їхніх центральних чорних дір. Ці спостереження визначать, чи є ця невідповідність мас переважним способом спільної еволюції для ранніх галактик та їхніх надмасивних чорних дір.
За інф. з сайту www.universetoday.com
