Telescopul James Webb descifrează găurile negre din universul timpuriu

Observațiile recente ale telescopului spațial James Webb a doi quasari de la începutul universului dezvăluie perspective importante asupra relației timpurii dintre găurile negre și galaxiile lor, oglindând raporturile de masă observate în universul mai recent.

Noile imagini realizate de Telescopul Spațial James Webb (JWST) au dezvăluit, pentru prima dată, lumina stelelor din două galaxii masive care găzduiesc găuri negre în creștere activă – quasari – văzute la mai puțin de un miliard de ani după Big Bang. Găurile negre au o masă de aproximativ un miliard de ori mai mare decât cea a Soarelui, iar masele galaxiilor lor gazdă sunt de aproximativ o sută de ori mai mari, un raport similar cu cel care se găsește în universul mai tânăr. O combinație puternică a sondajului pe câmp larg al telescopului Subaru și a sondei spațiale James Webb a deschis o nouă cale de a studia universul îndepărtat, potrivit unui studiu recent din 2016. natură.

Observațiile găurilor negre gigantice au atras atenția astronomilor în ultimii ani. Telescopul Event Horizon (EHT) a început să imagineze „umbra” găurilor negre din centrele galaxiilor. Premiul pentru roman 2020 pentru fizică a fost acordat pentru observațiile mișcării stelare în inima unei galaxii. calea lactee. Deși existența unor astfel de găuri negre uriașe este bine stabilită, nimeni nu le cunoaște originea.

Astronomii au raportat existența găurilor negre cu o masă de un miliard de mase solare în timpul primului miliard de ani ai universului, așa că cum au putut aceste găuri negre să devină atât de mari când universul era atât de tânăr? Și mai derutant este că observațiile din universul local arată o relație clară între masa găurilor negre supermasive și galaxiile mai masive în care se află. Galaxiile și găurile negre au dimensiuni complet diferite, deci care a fost primul: găurile negre sau galaxiile? Aceasta este o problemă „găina sau oul” la nivel cosmic.

Imagine JWST NIRCam de 3,6 µm a HSC J2236+0032. Imaginea în miniatură, imaginea quasarului și imaginea galaxiei gazdă după scăderea luminii quasarului (de la stânga la dreapta). Scara imaginii este indicată în ani lumină în fiecare panou. Credit: Ding, Ono, Silverman et al.

O echipă internațională de cercetători este condusă de Masafusa Onui, Fellow Kavli pentru Astrofizică la Institutul Kavli pentru Astronomie și Astrofizică (KIAA) de la Universitatea din Peking, și Shuheng Ding, cercetător la Institutul Kavli pentru Fizică și Matematică Cosmică (Kavli IPMU). ). ), iar John Silverman, profesor Kavli la IPMU, și-a propus să răspundă la această întrebare folosind Telescopul spațial James Webb (JWST), un telescop spațial de 6,5 metri dezvoltat printr-o colaborare internațională între… NASAcel Agenția Spațială Europeană (ESA) și Agenția Spațială Canadiană (CSA) și au fost lansate în decembrie 2021.

Quasarurile sunt luminoase, în timp ce galaxiile lor gazdă sunt slabe, ceea ce a făcut dificil pentru cercetători să detecteze lumina galactică slabă în strălucirea quasarului, în special la distanțe lungi. „Găsirea galaxiilor gazdă ale quasarelor la redshift 6 este ca și cum ai încerca să reperezi licurici într-un spectacol spectaculos de artificii în timp ce purtați ochelari încețoși. Galaxiile gazdă sunt incredibil de slabe, iar rezoluția imaginii a fost foarte limitată, chiar și cu Telescopul spațial Hubble„Ceea ce face ca dezvăluirea frumuseții sale ascunse să fie o adevărată provocare”, spune Xuheng Ding.

Conceptul artistic al telescopului spațial James Webb al NASA. Sursa imaginii: NASA, ESA și Northrop Grumman

Echipa a observat doi quasari cu telescopul spațial James Webb, HSC J2236+0032 și HSC J2255+0251, la deplasări spre roșu de 6,40 și 6,34 când universul avea aproximativ 860 de milioane de ani. Acești doi quasari au fost descoperiți inițial printr-un sondaj pe scară largă a telescopului Subaru de 8,2 metri, cu ajutorul căruia echipa de cercetare a identificat peste 160 de quasari până în prezent. Luminozitățile relativ scăzute ale acestor quasari îi fac ținte principale pentru măsurarea proprietăților galaxiei lor gazdă, iar descoperirea cu succes a gazdelor reprezintă prima epocă de până acum în care lumina stelelor a fost detectată într-un quasar.

Imaginile de quasari la lungimi de undă în infraroșu de 3,56 și 1,50 microni au fost capturate folosind instrumentul NIRCam de la JWST, iar galaxiile gazdă au devenit vizibile după modelarea atentă și scăderea strălucirii din găurile negre care se acumulează. Semnătura stelară a galaxiei gazdă a fost văzută și în spectrul capturat de JWST NIRSpec de J2236+0032, susținând descoperirea galaxiei gazdă. „Am fost profund implicat în sondajul Subaru asupra quasarelor cu deplasare în roșu înaltă încă din anii de doctorat la Observatorul Național Astronomic al Japoniei. Sunt extrem de mândru de detectarea cu succes a luminii stelelor din quasarii HSC pe care am găsit-o cu Subaru”, spune Masafusa Onoe.

Cercetătorul proiectului Kavli IPMU Xuheng Ding, profesorul John Silverman și Kavli Institute for Astronomy and Astrophysics (PKU-KIAA) Kavli Astrophysics Fellow Masafusa Onoue (din stânga). Sursa: Kavli IPMU, Kavli IPMU, Masafusa Onoue

Prin observații, echipa a descoperit că… Gaură neagră Masa galaxiei gazdă este similară cu cea observată în universul mai tânăr. Rezultatul sugerează că relația dintre găurile negre și gazdele lor a existat deja în primul miliard de ani după explozie. marea explozie. Echipa va continua acest studiu cu un eșantion mai mare de quasari îndepărtați, cu scopul de a constrânge istoria de creștere co-evoluționară a găurilor negre și a galaxiilor lor părinte de-a lungul timpului cosmic. Aceste observații vor constrânge modelele de co-evoluție a găurilor negre și a galaxiilor gazdă a acestora.

Citiți mai multe despre această descoperire la Cercetătorii Descoperă galaxiile gazdă Quasar din Universul timpuriu.

Referință: „Detectarea luminii stelare din galaxiile gazdă quasar la deplasări spre roșu mai mari de 6” de Shuheng Ding, Masafusa Onui, John D. Silverman, Yoshiki Matsuoka, Takuma Izumi, Michael A. Strauss, Knud 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 Inashiyoshi Iwasawa, Nobunari Kishikawa, Toshihiro. Kawaguchi, Kotaro Kohno, Shin-Hsiu Lee, Alessandro Lupi, Jianwei Liu, Toru Nagao, Roderick Overzer, Jan Törg Schindler, Malte Schramm, Kazuhiro Shimasako, Yoshiki Toba, Benny Trachtenbrot, Maxim Trebich, Tommaso Trieu, Hideki Ume Băta. Vennemans, Marianne Vestergaard, Fabian Walter, Feig Wang și Jenny Yang, 28 iunie 2023, natură.
doi: 10.1038/s41586-023-06345-5