Спостерігаючи ранній Всесвіт за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба, дві групи науковців досліджували надзвичайно яскраву галактику GN-z11, яка існувала, коли вік Всесвіту становив лише близько 430 мільйонів років.
Виконуючи свою обіцянку змінити наше розуміння раннього Всесвіту, космічний телескоп Джеймса Вебба досліджує галактики, що існували в незапам’ятні часи. Однією з них є надзвичайно яскрава галактика GN-z11, яка існувала, коли вік Всесвіту становив лише крихітну частку його нинішнього віку. Ця галактика, виявлена за допомогою Космічного телескопа імені Габбла, є однією з наймолодших і найдальших галактик, які коли-небудь спостерігали астрономи, а також одна з найзагадковіших. Чому вона така яскрава? «Вебб», здається, знайшов відповідь.
Наукова група, яка вивчала GN-z11 за допомогою «Вебба», знайшла перші чіткі докази того, що в центрі галактики міститься надмасивна чорна діра, яка швидко накопичує матерію. Це відкриття означає, що астрономи виявили найвіддаленішу активну надмасивну чорну діру, з усіх відомих нині таких об’єктів.
«Ми знайшли дуже щільний газ, який часто спостерігають поблизу надмасивних чорних дір, що накопичують газ», — пояснив головний дослідник Роберто Майоліно (Roberto Maiolino) з Кавендішської лабораторії та Інституту космології Кавлі Кембриджського університету зі Сполученого Королівства. «Це були перші чіткі ознаки того, що GN-z11 містить чорну діру, яка поглинає матерію».
«Вебб» також допоміг науковцям виявити ознаки іонізованих хімічних елементів, які зазвичай астрономи спостерігають поблизу надмасивних чорних дір, що накопичують довкола себе речовину. Крім того, дослідники встановили, що галактика видуває дуже потужний вітер. Такі високошвидкісні вітри, зазвичай, спричиняють процеси, пов’язані з інтенсивним зростанням надмасивних чорних дір.
Ця графіка з двох частин вказує на існування газоподібного згустку гелію в гало, що оточує галактику GN-z11. У верхній частині, в крайньому правому куті, маленька рамка ідентифікує GN-z11 у полі галактик. У середньому полі показано збільшене зображення галактики. У крайньому лівому полі показано мапу розподілу гелію в гало GN-z11, зокрема й згусток, який не відображається в інфрачервоних кольорах, показаних на середній панелі. Нижня половина графіка — це спектр, який показує чіткий «відбиток» гелію в гало. Повний спектр не містить жодних ознак наявності інших елементів і тому науковці зробили припущення: згусток гелію має бути досить незайманим — майже повністю складається з водню та гелію, тобто залишився після Великого Вибуху без значного забруднення важчими елементами, які утворюються в зорях. Теорія та моделювання передбачають, що в околицях особливо масивних галактик цих епох в гало мають залишитися «острівки» незайманого газу, які можуть зруйнуватися й утворити скупчення зір Населення III. Авторські права на зображення: NASA, ESA, CSA, Ralf Crawford (STScI). Фото з сайту www.esa.int.
«Камера ближнього інфрачервоного діапазону “Вебба” виявила витягнутий компонент, який відстежує головну галактику, і центральне, компактне джерело, кольори якого збігаються з кольорами акреційного диска, що оточує чорну діру», — сказала дослідник Ханна Юблер (Hannah Übler), також з Кавендішської лабораторії та Інституту Кавлі.
Разом ці докази вказують на те, що GN-z11 містить надмасивну чорну діру масою два мільйони сонячних мас, яка перебуває в дуже активній фазі поглинання матерії, тому вона така яскрава.
Друга група науковців, яку також очолював Майоліно, використовувала ближній інфрачервоний спектрограф (Near-Infrared Spectrograph, NIRSpec) «Вебба», щоб знайти газоподібний згусток гелію в гало, що оточує GN-z11.
«Той факт, що ми не бачимо нічого іншого, окрім гелію, говорить про те, що цей згусток має бути досить незайманим», — сказав Роберто. «Це те, що передбачали теорія та моделювання виявити поблизу особливо масивних галактик цих епох — що в гало мають залишитися острівці незайманого газу, які можуть зруйнуватися та сформувати скупчення зір Населення III».
Пошук досі невідомих зір Населення III [1] — першого покоління зірок, які майже повністю сформовані з водню та гелію — є однією з найважливіших цілей сучасної астрофізики. Очікується, що ці зорі будуть дуже масивними, дуже яскравими та дуже гарячими. Їх ознакою буде наявність іонізованого гелію та відсутність хімічних елементів, важчих за гелій.
Утворення перших зір і галактик знаменує фундаментальний зсув у космічній історії, під час якого Всесвіт еволюціонував із темного й відносно простого стану в структуроване й складне середовище, яке ми бачимо нині.
На цьому зображенні поля GOODS-North, зробленому камерою ближнього інфрачервоного діапазону (Near-Infrared Camera, NIRCam) «Вебба», показано стрілки компаса, масштабну шкалу та кольорові мітки для довідки. Стрілки компаса показують орієнтацію зображення на небі. Зауважте, що співвідношення між північчю та сходом на небі (як видно знизу) перевернуто відносно напрямків на мапі Землі (як видно згори). Масштабна шкала показує кутові відстані на небі, де одна кутова секунда дорівнює 3600-й частині градуса. Масштабна шкала має довжину 60 кутових секунд.
Це зображення отримано в ближньому інфрачервоному світлі, яке не фіксує око людини. Тому його було переведено у кольори видимого світла. Кольорові мітки показують, які фільтри NIRCam використовували під час реєстрації випромінювання. Колір назви кожного фільтра — це колір видимого світла, який використали для представлення інфрачервоного світла, що проходить через цей фільтр. Синім кольором зображені фільтри F090W, F115W і F150W. Зеленим кольором зображені фільтри F200W, F277W і F335M. Червоним кольором показані фільтри F356W, F410M і F444W. Авторські права на зображення: NASA, ESA, CSA, B. Robertson (UC Santa Cruz), B. Johnson (CfA), S. Tacchella (Cambridge), M. Rieke (University of Arizona), D. Eisenstein (CfA). Фото з сайту www.esa.int.
Під час майбутніх спостережень за допомогою «Вебба» Роберто, Ханна та їхня група досліджуватимуть GN-z11 більш глибоко, і вони сподіваються посилити аргументи на користь зір Населення III, які можуть формуватися в її гало.
Статтю про дослідження первинного згустку газу в гало GN-z11 взяв до публікації журнал Astronomy & Astrophysics. Результати дослідження чорної діри GN-z11 опубліковані в журналі Nature 17 січня 2024 року.
Примітки
[1] Назва Населення III виникла тому, що астрономи вже класифікували зорі Молочного Шляху як Населення I (зорі, такі як Сонце, які багаті на важкі елементи) і Населення II (старіші зорі з низьким вмістом важких елементів, виявлені в балджі й гало Молочного Шляху, а також у кулястих зоряних скупченнях).
За інф. з сайту www.esa.int
