В ходе беспрецедентного прорыва в астрофизике международная коллаборация исследователей идентифицировала сразу 31 квазар, относящийся к числу древнейших из когда-либо зафиксированных человечеством. В эту выборку, как подчёркивается в публикации журнала Astronomy & Астрофизика, вошли и два самых ранних из известных на сегодняшний день образцов. Эти колоссальные космические объекты, излучающие энергию, сопоставимую со светимостью примерно триллиона солнц, уже существовали и активно сияли в ту эпоху, когда возраст Вселенной составлял ничтожные 670 миллионов лет — момент, который учёные называют её зачаточным состоянием.
Квазары, по своей сути, представляют собой одни из наиболее ярких и энергетически мощных структур во Вселенной. Их невероятная светимость обеспечивается сверхмассивными черными дырами, расположенными в центрах галактик и поглощающими окружающее вещество; этот процесс высвобождает столь колоссальное количество излучения, что его можно зафиксировать на расстоянии в миллиарды световых лет. Как отмечает соавтор исследования Джозеф Хеннави, профессор физики, работающий совместно в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре и Лейденском университете, обнаруженные объекты предоставляют «наилучшие подсказки для понимания того, как прорисовываются сверхмассивные черные дыры». Особое недоумение у астрономов вызывает тот факт, что «эти монстры, весящие в миллиарды раз больше массы нашего Солнца, каким-то образом уже были, когда Вселенная находится в зачаточном состоянии», и пока не существует стройной теории, объясняющей, как они смогли достичь таких колоссальных размеров за столь короткий по космическим меркам промежуток времени.
Почему древние квазары так трудно найти
На протяжении многих десятилетий астрономы, вооружённые всё более совершенной техникой, целенаправленно вели поиск самых ранних квазаров, справедливо полагая, что они хранят в себе бесценную информацию о формировании первых галактик и зарождении сверхмассивных черных дыр. Однако эта задача сопряжена с колоссальными техническими трудностями. Квазары, образовавшиеся менее чем через 770 миллионов лет после Большого взрыва, являются объектами чрезвычайно редкими, поскольку лишь незначительное количество протогалактик к тому моменту успело достичь размеров, достаточных для размещения в себе таких гигантов. Их слабый свет, к тому же, крайне легко спутать с излучением гораздо более близких к нам звезд, находящихся в нашей собственной Галактике.
Дополнительным и чрезвычайно серьёзным препятствием служит само расширение Вселенной. За миллиарды лет, которые свет от далёких квазаров путешествует к нам, пространство растянулось, сместив их излучение из ультрафиолетового диапазона в ближний инфракрасный. Атмосфера Земли, как известно, активно поглощает свет именно таких длин волн, что делает обнаружение столь слабых объектов наземными телескопами задачей практически невыполнимой. Астрономы используют этот эффект, называемый красным смещением, для точного измерения расстояния до объекта и его возраста. «Красное смещение, равное 7, переносит нас в то время, когда Вселенной было всего 750 миллионов лет, что составляло менее 6% ее современного возраста», — поясняет Хеннави. Ведущий автор работы, докторант Дамин Ян из группы Хеннави в Лейденском университете, резюмирует сложность задачи: «Эти две вещи делают поиск квазаров на таких расстояниях невероятно трудным. Для каждой из них есть тысячи звезд в нашем Млечном Пути и коротких галактиках, которые на изображениях выглядят почти одинаково. А поскольку их свет на таких расстояниях простирается до инфракрасного излучения, нам необходимо исследование, которое было бы достаточно широким, чтобы захватить эти редкие объекты, и достаточно глубоким, чтобы определить их слабый свет». Именно из-за этих фундаментальных ограничений поиск с поверхности Земли становится практически невозможным, и только наблюдение из космоса даёт гораздо более чёткое представление.
Космический телескоп Евклид обнаружил 31 древний квазар
Ключом к решению этой сложнейшей задачи стал космический телескоп «Евклид», запущенный Европейским космическим агентством в 2023 году специально для исследования Вселенной в эту решающую эпоху. Работая за пределами земной атмосферы, «Евклид» эффективно улавливает инфракрасное излучение, которое недоступно для наземных обсерваторий, и одновременно сканирует огромные участки неба с беспрецедентной широтой охвата. Анализируя данные, предоставленные обзором «Евклида», исследователи смогли обнаружить беспрецедентное количество — 31 новый квазар, относящийся к ранней Вселенной. По завершении полного цикла исследований будет нанесено на карту более трети всего неба. Возраст некоторых из этих недавно открытых квазаров датируется тем временем, когда возраст Вселенной составлял всего около 5% от её нынешнего возраста. До этого момента астрономы в основном обнаруживали только самые яркие и красные образцы древних квазаров, что давало слишком мало примеров для полноценного изучения ранней эволюции этих объектов в целом. Как отмечается в статье, «Евклид действи» — и эти слова подчёркивают, что миссия только начинает раскрывать свои возможности, открывая новую главу в понимании космической истории.
тельно меняет правила игры», — сказал он. — сказал Даминг. «Раньше мы могли найти лишь несколько самых ярких древних квазаров, но Евклид позволяет нам гораздо дальше искать на космических участках неба и улавливать гораздо более слабый свет. Это уникальный инструмент для охоты на квазары».
Окно в первый миллиард лет солнечной энергии
Недавно исследователи более подробно изучили второй старейший квазар в новой коллекции. Они обнаружили, что она находится внутри пыльной, богатой газом галактики, переживающей интенсивный всплеск звездообразования, которая дает новые подсказки в окружающей среде, в которой росли самые ранние сверхмассивные черные дыры.
Недавно открытые квазары появились в последний период, известный как эпоха реионизации, когда первые звезды и галактики изменили раннюю Вселенную, ионизированный нейтральный газообразный водород, который когда-то создал космос. Эта эпоха определила следующую эволюцию космоса.
Среди 31 недавно открытого квазара 14 имеют красное смещение 7 или больше. Два самых старых квазара имеют красное перемещение 7,69 и 7,77, что делает их устойчивыми ранними из когда-либо идентифицированных квазаров. Расположенные на расстоянии чуть более 13 миллиардов световых лет от Земли, они оказались такими, какими они были в течение первых 670 миллионов лет Вселенной. Они также превзошли предыдущий рекорд, установленный исследовательским исследованием Хеннави в 2021 году.
«Каждый шаг назад во время делает загадку еще более запутанной: как Вселенная так быстро вызывает сверхмассивные черные дыры?» — сказал Хеннави. «Мы обнаружили черные дыры, которые в сотни миллионов раз превышали массу Солнца в то время, когда Вселенная только зарождалась».
Еще более глубокий взгляд на космическую историю
Астрономия неуклонно продвигается дальше в космической истории благодаря сочетанию усовершенствованных телескопов и более сложных методов определения. Потребовалось более десяти лет, чтобы назвать примерно первые 10 квазаров с обычным смещением 7 или выше. Евклид уже нашел больше, чем это за один год, более чем в два раза увеличив известное количество этих древних чрезвычайных объектов.
Машинное обучение также было важной частью поиска. По словам Хеннави, передовые алгоритмы теперь могут объединить десятки миллионов астрономических источников и отделить несколько настоящих квазаров от ограничения чисел похожих звезд и галактик.
Команда Хеннави потратила годы на разработку многих алгоритмов, использованных в этих открытиях. Он также возглавляет разработку PypeIt — программного обеспечения, которое астрономы Калифорнийского университета используют для обработки результатов, собранных телескопами Кека. Благодаря доступу к наблюдениям Калифорнийского университета Кек подтвердил две территории открытых квазаров, включая три самых отдаленных экземпляра.
Сейчас исследователи определяют известный первый квазар с красным смещением, превышающим 8, что соответствует показателю объекта, существовавшего в течение первых 630 миллионов лет Вселенной.
Джеймс Уэбб и ALMA изучают этих древних гигантов
Обнаружение этих квазаров — это только начало. Команда уже выделила время для наблюдения с помощью космического телескопа эпохи Уэбба, чтобы подробно изучить многие из них. Будущие наблюдения будут измерять массу их черных дыр, обращать внимание на химию окружающего газа и их свет, чтобы проследить, как реионизация разворачивается в молодом мире.
Тем временем огромная миллиметровая решетка Атакамы будет изучать пыль, газ и звездообразование внутри галактик, в которых расположены эти древние квазары, обеспечивая еще более четкое представление о том, как развивались самые ранние массивные галактики.
«Главная задача — говорил все это в единую временную школу», — сказал он. Хеннави сказал: «Квазарная хроника первого миллиарда лет».
Даминг Ян, Антуан Бассет и Жан-Шарль Куйландр из Консорциума Евклида внесла этот свой вклад в историю.