Бейби квазары. Загадка ранней Вселенной всё еще не решена

Привет! Какое-то время назад я поднял четыре крупных проблемы, которые в конце прошлого и начале нынешнего года широко обсуждались в астрофизической среде. Вот прошло довольно много времени с тех пор, как я это сделал, и пришла пора отвечать за базар. Надо рассказать, в чём эти проблемы заключаются, какое сейчас состояние дел в этих вопросах.

Меня зовут Масленников, я Пулковский астроном, ведущий научно-популярного канала. Итак, я начну с, пожалуй, самой широко обсуждаемой вещи — это ситуация с ранней Вселенной. Недостаток наших знаний об этом интригующем периоде развития мира. Напомню, что здесь дело обстоит вот как: мы сейчас видим, в основном благодаря наблюдениям телескопа Джеймса Уэбба, что очень быстро происходит развитие событий в ранней Вселенной.

Очень быстро появляются звёзды, быстро образуются галактики, быстро растёт металличность — гораздо быстрее, чем это предсказывают существующие модели. И до сих пор непонятно, что с этим делать. Но всё-таки определённые шаги в этом направлении сделаны, и сейчас я об этом вам попытаюсь рассказать. Подчеркиваю, загадка не разгадана, решения по-прежнему нет.

В разных направлениях, и вот одно из этих направлений я собираюсь вам показать. Прежде всего, хочу сказать, что всё-таки мейнстрим остаётся мейнстримом. Мы пока не собираемся отказываться от фундамента, от идеи большого взрыва, от идеи инфляции, от основных этапов, которым, по нашим представлениям, происходило развитие ранней Вселенной.

Но главный вопрос сейчас упирается в вопрос о том, почему так быстро образовались чёрные дыры. Дело в том, что решение этой проблемы поможет решить и остальные. Чем быстрее образуются сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик, тем быстрее идёт звездообразование в этих галактиках, тем быстрее происходит эволюция самих галактик, входящих в них звезд.

Говоря общими словами, как-то начинается с чёрных дыр, которые как бы являются таким драйвером развития остальной вселенной. И тут проблема в том, что для того чтобы образовалась сверхмассивная чёрная дыра массой в несколько миллиардов, а то и несколько десятков миллиардов солнечных масс, требуется очень много времени.

Таким образом, в конце жизни сверхмассивных звёзд, там, как правило, несколько сотен солнечных масс. Как же каким образом эти зародыши так быстро преобразуются в уже готовые сверхмассивные дыры в ядрах галактик? Вот одна очень интересная работа сделана в этом направлении.

Она появилась буквально в начале марта нынешнего года. Это исследование группы австрийских астрофизиков, которые тоже воспользовались данными телескопа Джеймса Уэбба. Но тут интересно, что данные, которые они использовали, вообще предназначались для других вещей — это была программа изучения крупных голубых квазаров тоже в ранней Вселенной.

Но именно в голубой части спектра, вернее, сам Джеймс — инфракрасный телескоп, но с учётом красного смещения, мы наблюдали бы именно те области спектра, которые изначально находились в зародышах чёрных дыр. В рамках этой программы камера в режиме бесщелевой спектроскопии фотографировала, в общем, для телескопа Джеймса довольно большой, но по сравнению с размерами всего неба, конечно, очень крохотный участок неба — примерно в 200 квадратных угловых секунд.

И вот совершенно неожиданно в этой области неба обнаружился выводок, как бы такой, ну, стайка маленьких красных точек. Выглядели они как запылённости, потому что они были красные, что там было много пыли. Но когда стали исследовать спектроскопические эти красные точки, то выяснили, что линия Альфа водородная линия, которая перешла в инфракрасную область благодаря красному смещению, имеет очень большую ширину.

А что это означает? Это означает, что газ в этих областях движется с крайне большой скорости. По красному смещению стало понятно, что расстояние этих объектов примерно z=4.5, то есть это самое что ни на есть ранняя Вселенная — это примерно миллиард лет после большого взрыва.

В результате получилась эта семейство — такой детский сад беби квазаров. Вы знаете, что квазары были открыты ещё в 63-м году Мартином Шмидтом, это по сути дела сверхмассивные чёрные дыры в ранней Вселенной. Это чёрная дыра, окружённая гигантскими аккреционными дисками и активно излучающая во всех практически диапазонах спектра.

Так вот, семейство квазаров, обнаруженное в этой работе, это правда не зародыши чёрных дыр, но это промежуточный этап между зародышами и настоящими сверхмассивными дырами. Это объекты массой от десятков до сотен миллионов солнечных масс. Напомню, что чёрная дыра в центре нашей галактики — это примерно 4-5 млн солнечных масс.

Но для ранней Вселенной, а это именно зародыш сверхмассивной чёрной дыры, которая впоследствии будет воздействовать на возникающую вокруг неё галактику, и действительно темп звездообразования в районе вот этих квазаров очень высокий. Причём, смотрите, какая видна корреляция: по мере роста массы квазара увеличивается количество пыли вокруг него, и покраснение растёт.

Сначала доминирует чистое звездообразование, масса квазара маленькая, потом масса квазара постепенно растёт, количество пыли, нагребаемое на него, увеличивается, и галактика резко краснеет. Как же можно всё это подытожить? На z около 5, то есть на возрасте миллиарда лет после большого взрыва, обнаружена популяция беби квазаров, которые постепенно растут, причём быстро растут в плотной среде, быстро собирая на себя пыль, превращаясь в сверхмассивные чёрные дыры.

Заметьте, что эта популяция из 20 объектов расположена на участке, который покрывает… Ну вот вытяните и посмотрите, какую часть неба покрывает половинка вашего ногтя большого пальца. Примерно на вот такой площади открыта эта популяция из 20 мини-квазаров. Теперь представьте себе, что такие популяции покрывают всё небо. Какое колоссальное количество растущих чёрных дыр потенциально можно предполагать в ранней Вселенной!

Вот это, конечно, не ответ пока ещё на вопрос о том, почему так быстро происходит рост массы чёрных дыр в ранней Вселенной. Но некоторые указания на ответ здесь видны: маленькие чёрные дыры в очень густой пылевой среде растут с большой скоростью, и это отчасти может помочь нам ответить на всё тот же вопрос о необычно быстром росте чёрных дыр на возрасте от 500 млн до миллиарда лет после большого взрыва.

Ну а остальные вопросы, которые мы поставили в предыдущем ролике, впереди. Встретимся скоро ещё раз. До свидания! Подписывайтесь на наш канал.