Na nowych zdjęciach uzyskanych za pomocą Teleskopu Webba astronomowie po raz pierwszy zaobserwowali światło gwiazd emitowane przez dwie masywne galaktyki z aktywnymi czarnymi dziurami, czyli kwazarami – z czasów, gdy Wszechświat liczył mniej niż miliard lat. W publikacji, która ukazała się w tym tygodniu w prestiżowym Nature oszacowano, że czarne dziury posiadają masy około miliard mas Słońca, a galaktyki goszczące te kosmiczne potwory są prawie sto razy masywniejsze. Podobny stosunek mas tych obiektów obserwuje się w bardziej współczesnym Wszechświecie. Te badania odległego Wszechświata są możliwe, dzięki połączeniu możliwości Teleskopu Webba i hawajskiego teleskopu Subaru.
Istnienie tak masywnych czarnych dziur w odległym Wszechświecie generuje dla astrofizyków więcej pytań niż odpowiedzi. Jak mogły urosnąć do wielkich mas te czarne dziury, gdy Wszechświat był tak młody? Wydaje się to nawet jeszcze bardziej zagadkowe – na podstawie obserwacji w naszym rejonie Wszechświata zauważono, że istnieje związek pomiędzy masami supermasywnych czarnych dziur i znacznie większych galaktyk, w których te czarne dziury „pomieszkują”. Galaktyki i czarne dziury posiadają zupełnie różne masy i wielkości, więc co było pierwsze – czarne dziury, czy galaktyki? Jest to problem z gatunku „kura czy jajko”, ale w kosmicznej skali.
Międzynarodowa grupa astronomów próbowała odpowiedzieć na powyższe pytanie, wykorzystując obserwacje Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba. Badania związku pomiędzy galaktykami macierzystymi i czarnymi dziurami we wczesnym Wszechświecie pozwalają astronomom obserwować ich powstawanie oraz wzajemne relacje.
Kwazary są jasne, a macierzyste galaktyki słabo świecą. Dlatego detekcja słabego światła galaktyki w blasku kwazara stanowi wyzwanie – szczególnie dla dużych odległości. Kosmiczny Teleskop Hubble’a – jeszcze przed epoką Teleskopu Webba, rejestrował galaktyki macierzyste z jasnymi kwazarami, ale nie młodsze niż 3 miliardy lat po Wielkim Wybuchu.
Wielka czułość i ekstremalna ostrość obrazów w podczerwieni z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba wreszcie umożliwia badanie okresu powstawania pierwszych kwazarów i galaktyk. Po kilku miesiącach od rozpoczęcia normalnego jego funkcjonowania, zespół astronomów zaobserwował dwa kwazary HSC J2236+0032 i HSC J2255+0251 o kosmologicznych przesunięciach ku czerwieni odpowiednio z=6,40 i z=6,34, czyli z okresu gdy Wszechświat liczył około 860 milionów lat. Te dwa kwazary zostały odkryte w przeglądzie nieba wykonanym przez 8,2-metrowy teleskop Subaru, który znajduje się na szczycie Mauna Kea na Hawajach. Oba kwazary zostały wzięte jako cel poszukiwań ich galaktyk macierzystych ze względu na relatywnie małe jasności. Poszukiwania zakończyły się sukcesem. Jest to najwcześniejsza, znana nam obecnie epoka, w której zarejestrowano światło gwiazd z galaktyki macierzystej z aktywnym kwazarem.
Zdjęcia obu kwazarów zostały wykonane w podczerwieni w długościach fali λ = 3,56 μm i 1,50 μm za pomocą Teleskopu Webba z kamerą NIRCam. Galaktyki macierzyste stały się widoczne dopiero po starannym modelowaniu i odjęciu promieniowania elektromagnetycznego pochodzącego od akreujących czarnych dziur. Sygnatura gwiazd w galaktyce macierzystej była widoczna również w widmie J2236+0032 uzyskanym za pomocą spektrografu NIRSpec współpracującym z Teleskopem Webba – co jest dodatkowym dowodem, że jest to galaktyka macierzysta.
Analiza obserwacji fotometrycznych galaktyk macierzystych J2236+0032 i J2255+0251 ujawniła, iż są one masywne – odpowiednio 130 i 34 miliardy mas Słońca. Natomiast pomiary prędkości turbulentnego gazu w otoczeniu kwazarów na widmach z NIRSpec sugerują, że czarne dziury są również masywne – odpowiednio 1,4 i 0,2 miliarda mas Słońca. Stosunek masy czarnych dziur do masy ich galaktyk macierzystych dla J2236+0032 i J2255+0251 jest podobny jak dla galaktyk z bliższej nam przeszłości – co sugeruje, że ta relacja pomiędzy masami czarnych dziur i masami ich galaktyk macierzystych obowiązywała już 860 milionów lat po Wielkim Wybuchu.
Wyniki badań zostały opublikowane w dniu 28 czerwca 2023 roku w prestiżowym Nature. Astronomowie w tej grupy badawczej będą kontynuowali dalsze analizy na większej grupie podobnych obiektów, które zostały zaobserwowane przez Teleskop Webba w ramach programu obserwacyjnego „The Cycle 1 General Observers Program”. Pozwoli to bardziej szczegółowo zbadać modele koewolucji czarnych dziur i ich galaktyk macierzystych.
Grupa badawcza została również wyróżniona dodatkowym czasem obserwacyjnym w kolejnym programie obserwacyjnych na Teleskopie Webba, którego celem będzie bardziej szczegółowe zbadanie galaktyki macierzystej J2236+0032.
Więcej informacji:
- Publikacja naukowa (Nature): Detection of stellar light from quasar host galaxies at redshifts above 6
- Preprint arXiv (wersja darmowa) Detection of stellar light from quasar host galaxies at redshifts above 6
- Starlight and the first black holes: researchers detect the host galaxies of quasars in the early universe
Źródło: Kavli IPMU
Opracowanie: Ryszard Biernikowicz
Na ilustracji zaprezentowano trzy wersje zdjęcia galaktyki z kwazarem HSC J2236+0032 z wczesnego Wszechświata (z=6,4-wtedy Wszechświat liczył zaledwie 860 milionów lat!), które wykonał Teleskop Webba z kamerą NIRCam (podczerwień λ=3,6μm). Na obrazie po lewej jest ogólny widok obiektu, w środku – widok galaktyki z kwazarem (=supermasywna czarna dziura), po prawej – tylko widok galaktyki po odjęciu światła kwazara. Na każdym zdjęciu pokazano skalę w latach świetlnych. Źródło: Ding, Onoue, Silverman i inni
