Naukowcy wykrywają galaktyki macierzyste kwazarów we wczesnym Wszechświecie
Po raz pierwszy w historii uzyskano zdjęcia dwóch kwazarów widzianych, gdy Wszechświat miał zaledwie 860 milionów lat.
Obraz kwazara HSC J2236+0032 na długości 3,56 mikrona. Pomniejszony obraz, obraz kwazara i obraz galaktyki macierzystej po odjęciu światła kwazara (od lewej do prawej). Skala obrazu w latach świetlnych jest podana na każdym panelu. Źródło: Ding, Onoue, Silverman i inni
Po raz pierwszy, najnowsze zdjęcia uzyskane przez Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba ukazują światło gwiazd pochodzące z dwóch olbrzymich galaktyk, które zawierają aktywnie rosnące czarne dziury znane jako kwazary. Te obrazy odkrywają nam obiekty widoczne mniej niż miliard lat po Wielkim Wybuchu. Przeprowadzone niedawno badanie opublikowane w czasopiśmie Nature wykazało, że te czarne dziury posiadają masę prawie miliard razy większą niż Słońce, zaś ich galaktyki macierzyste mają niemal sto razy większą masę, co jest porównywalne do proporcji obserwowanych w niedawnej historii Wszechświata. Dzięki połączeniu mocy obserwacyjnej Teleskopu Subaru i JWST, otworzyła się zupełnie nowa droga do badania odległych zakątków Wszechświata.
Istnienie tak masywnych czarnych dziur w odległym Wszechświecie stawia przed astrofizykami więcej zagadek niż odpowiedzi. Jak mogły one osiągnąć tak ogromne rozmiary w młodym Wszechświecie? Co więcej, obserwacje lokalnego Wszechświata ujawniają wyraźny związek między masą supermasywnych czarnych dziur a znacznie większymi galaktykami, w których się znajdują. Biorąc pod uwagę znaczącą różnicę w rozmiarach galaktyk i czarnych dziur, nasuwa się pytanie: co pojawiło się pierwsze – czarne dziury czy galaktyki? Stanowi to swego rodzaju kosmiczny problem typu “kura czy jajko”.
Międzynarodowy zespół naukowców rozpoczął badanie wczesnego Wszechświata, mające na celu odpowiedzieć na pytanie dotyczące relacji między galaktykami macierzystymi a supermasywnymi czarnymi dziurami. Wykorzystują do tego celu najnowocześniejsze narzędzie – JWST. Dzięki tej obserwacji naukowcy mają możliwość śledzenia procesu formowania się tych czarnych dziur oraz zrozumienia, w jaki sposób są one powiązane z ich galaktykami macierzystymi.
Kwazary są jasne, podczas gdy ich galaktyki macierzyste są słabe, co utrudniało naukowcom wykrycie słabego światła galaktyki w blasku kwazara, zwłaszcza na dużych odległościach. Przed powstaniem JWST, Kosmiczny Teleskop Hubble’a był w stanie wykryć galaktyki macierzyste świecących kwazarów, gdy Wszechświat miał niecałe 3 miliardy lat, ale nie młodsze.
Doskonała czułość oraz niezwykle ostre obrazy w podczerwieni, uzyskane dzięki JWST, wreszcie umożliwiły naukowcom przeniesienie badań do czasów, gdy kwazary i galaktyki powstawały po raz pierwszy. Zaledwie kilka miesięcy po rozpoczęciu regularnej pracy JWST, zespół obserwował dwa kwazary: HSC J2236+0032 oraz HSC J2255+0251. Oba posiadają przesunięcia ku czerwieni wynoszące odpowiednio 6,4 oraz 6,34, co wskazuje na to, że obserwowane zjawiska miały miejsce, gdy Wszechświat miał około 860 milionów lat. Odkrycie tych dwóch kwazarów zostało dokonane w ramach programu głębokiego przeglądu przy użyciu 8,2-metrowego Teleskopu Subaru. Pomimo stosunkowo niskiej jasności tych kwazarów, stały się one kluczowymi obiektami do pomiaru właściwości ich galaktyk macierzystych. To pozwoliło na wcześniejsze wykrycie światła gwiazd w kwazarach, stanowiąc tym samym najwcześniejszą do tej pory znaną epokę, w której takie zjawiska mogły zostać zarejestrowane.
Zdjęcia dwóch kwazarów zostały wykonane za pomocą instrumentu JWST NIRCam w zakresie podczerwieni na długości fal 3,56 i 1,50 mikrona. Galaktyki macierzyste stały się widoczne po precyzyjnym modelowaniu i odjęciu jasności emitowanej przez akreujące czarne dziury. Sygnatura gwiezdna galaktyki macierzystej została również zaobserwowana w widmie uzyskanym przez instrument NIRSpec dla J2236+0032, co dodatkowo potwierdziło wykrycie tej galaktyki.
Analizy fotometrii galaktyk macierzystych wykazują, że obie te galaktyki są ogromne – pierwsza o masie około 130 miliardów mas Słońca, a druga o masie około 34 miliardów mas Słońca. Pomiar prędkości turbulentnego gazu w pobliżu kwazarów, dokonany przy użyciu widm NIRSpec, sugeruje, że czarne dziury napędzające te kwazary są również olbrzymie – pierwsza o masie około 1,4 miliarda mas Słońca, a druga o masie około 0,2 miliarda mas Słońca. Stosunek masy czarnej dziury do masy jej galaktyki macierzystej przypomina relacje obserwowane w innych galaktykach w niedawnej historii, co sugeruje, że powiązanie między czarnymi dziurami a ich galaktykami istniało już 860 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Naukowcy będą kontynuować te badania, wykorzystując większą próbkę oraz planowane obserwacje JWST w cyklu 1. Dzięki temu możliwe będzie dalsze zawężenie modeli koewolucji czarnych dziur i ich galaktyk macierzystych. Zespół niedawno otrzymał informację o dodatkowym czasie na obserwacje w kolejnym cyklu JWST, co umożliwi bardziej szczegółowe zbadanie galaktyki macierzystej kwazara J2236+0032.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
