В новом теоретическом исследовании астрофизик Джонатан Тан из Университета Вирджинии предлагает всеобъемлющую теорию возникновения сверхмассивных черных дыр. Эти гиганты, находящиеся в центрах большинства крупных галактик, включая наш Млечный Путь, имеют массу, превышающую массу Солнца в миллионы или даже миллиарды раз. Их образование вызывает много споров, особенно после открытий космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), который обнаружил множество таких черных дыр, существующих в ранней Вселенной.

Теория Тана, известная как "Pop III.1", предполагает, что все сверхмассивные черные дыры возникли как остатки первых звезд, известной как "популяция III.1". Эти звезды образовались под воздействием энергии, вызванной аннигиляцией темной материи, и предсказали многие из недавних открытий JWST.

В своей статье "Внезапная ионизация ранней Вселенной сверхмассивными звездами Pop III.1", опубликованной на arXiv и готовящейся к публикации в Astrophysical Journal Letters, Тан излагает новое предсказание своей теории. Он утверждает, что сверхмассивные звезды-прародители черных дыр быстро ионизировали водородный газ во Вселенной, создавая яркие вспышки, которые заполнили пространство.

Эта фаза ионизации, происходящая раньше, чем в обычных галактиках, может помочь разрешить некоторые загадки в космологии, включая "Напряженность Хаббла" и "Динамическую темную энергию". По словам Тана, это неожиданное открытие может оказаться важным для понимания происхождения Вселенной.

Работа Тана получила высокую оценку Ричарда Эллиса, ведущего космолога-наблюдателя из Университетского колледжа Лондона. Он отметил, что модель Тана объясняет двухэтапный процесс рождения и ионизации звезд в ранней Вселенной. Возможно, самые первые звезды образовались в результате короткой вспышки и затем исчезли, что означает, что наблюдаемые сейчас объекты могут быть лишь "второй волной" формирования звезд. Вселенная продолжает удивлять нас своими тайнами.

Одной из наиболее сильных сторон космического телескопа NASA "Джеймс Уэбб" является его способность "заглядывать" внутрь областей звездообразования, которые окутаны чрезвычайно плотными газовыми облаками, делающими их недоступными для наблюдений в обычные оптические телескопы.

Ярким примером исследования колыбели звезд является изображение области NGC 346, представляющей собой очень яркий и крупный регион активного звездообразования в Малом Магеллановом Облаке (ММО).

Галактика-соседка с сюрпризами

ММО — карликовая галактика-спутник Млечного Пути, находящаяся на расстоянии около 210 000 световых лет от нас. Эту галактику, расположенную в направлении созвездия Тукана, можно лицезреть невооруженным глазом из Южного полушария Земли и вблизи экватора, но с территории России ее, к сожалению, увидеть не получится.

Ключевая особенность этой галактики — низкое содержание тяжелых элементов по сравнению с Млечным Путем. Дело в том, что все элементы тяжелее водорода и гелия "выпекаются" в ядрах массивных звезд. Когда такие звезды завершают свой жизненный цикл и вспыхивают как сверхновые, они обогащают окружающее пространство новыми химическими элементами.

Космическая пыль состоит преимущественно из тяжелых элементов — кремния, кислорода и других, — поэтому ученые ожидали, что в ММО ее должен быть дефицит. Однако наблюдения "Джеймса Уэбб" показали иную картину.

В регионе NGC 346 сосредоточено огромное количество космической пыли, а значит в прошлом там происходили многочисленные вспышки сверхновых, которые не только локально насытили карликовую галактику тяжелыми элементами, но и дали толчок следующей волне звездообразования.

Кирпичики жизни в космосе

Еще более интригующей находкой стало обнаружение большого количества полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) — сложных органических молекул, которые ученые часто называют "кирпичиками жизни". ПАУ играют важную роль в формировании более сложных органических структур и могут служить основой для зарождения жизни.

Яркие шестиконечные точки на изображении представляют собой протозвезды — светила на ранней стадии эволюции, все еще окутанные плотными газопылевыми оболочками. Согласно оценке астрономов, всего в этом регионе скрываются более 1 000 звездных объектов, большинство из которых протозвезды, продолжающие активно формироваться.

Открытие показывает, что карликовые галактики представляют собой динамично развивающиеся системы. По мере накопления тяжелых элементов и формирования новых поколений звезд они эволюционируют, постепенно становясь все более сложными структурами.

Возможно, именно из подобных карликовых галактик в далеком будущем могут "вырасти" массивные звездные системы, подобные нашему Млечному Пути. Правда, это может произойти только в том случае, если карликовая галактика будет изолирована, а не поглощена более крупной галактикой-соседкой.

Читайте также:

• «Джеймс Уэбб» впервые обнаружил кристаллический водяной лед в протопланетном диске.

• Космический торнадо и далекая галактика: новый снимок телескопа «Джеймс Уэбб».

• «Джеймс Уэбб» запечатлел идеальное кольцо Эйнштейна.

Международная группа астрономов использовала космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) для наблюдения далекой галактики JADES-GS-z14-1, результаты которых были опубликованы 30 июля на сервере препринтов arXiv. Эти наблюдения предоставляют более полное понимание природы и свойств этой галактики, которая является самой слабой галактикой, подтвержденной спектроскопии, с красным смещением около 14,0.

JWST, запущенный в 2021 году, предназначен для поиска и изучения самых удаленных галактик, что позволяет исследовать раннюю Вселенную, в частности, галактики, существовавшие в первые 500 миллионов лет после Большого взрыва. JADES-GS-z14-1 имеет абсолютную ультрафиолетовую звездную величину -19,0 и компактный радиус, не превышающий 520 световых лет. Предыдущие исследования показали, что её масса составляет около 100 миллионов солнечных масс, а скорость звездообразования (SFR) составляет около двух солнечных масс в год.

Группа астрономов под руководством Цзыхао Ву из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA) провела глубокую визуализацию и спектроскопию JADES-GS-z14-1 с использованием инструментов JWST, включая средне-инфракрасный прибор (MIRI), камеру ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) и спектрограф ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) в рамках программы JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). Наблюдения включали 70,7-часовую интеграцию с MIRI/F770W, 16-полосную фотометрию NIRCam и 56-часовую спектроскопию NIRSpec/PRISM.

Однако результаты наблюдений показали, что JADES-GS-z14-1 лишь незначительно проявилась в диапазоне MIRI/F770W, и не были обнаружены значимые линии ультрафиолетового излучения в зоне покоя с помощью глубокой спектроскопии NIRSpec prism. Физический радиус галактики составляет менее 163 световых лет, а её звездная масса была оценена в 40 миллионов солнечных масс, с сохранением скорости звездообразования около двух солнечных масс в год.

Анализ истории звездообразования показал, что за последние 10 миллионов лет SFR JADES-GS-z14-1 значительно возросла, достигнув средней скорости 2,3 звезды в год, что составило почти 70% её звездной массы. Астрономы отметили, что отсутствие заметных линий ультрафиолетового излучения металлов, в сочетании с интенсивным звездообразованием, указывает на низкую металличность газовой фазы, менее 10% солнечной, и высокую долю ионизирующих фотонов, выходящих наружу.

Авторы статьи заключили, что их результаты могут способствовать более глубокому пониманию эволюции ранних галактик. "Слабость эмиссионных линий металлов говорит о том, что сильные туманные линии не являются повсеместным явлением в ранних галактиках. Эти результаты подчеркивают разнообразие свойств ранних галактик и определяют ключевые ограничения на обогащение металлами, звездообразование и ионизирующие условия в течение первых 300 миллионов лет после Большого взрыва", — подчеркивают исследователи.

Учёные давно спорят о том, какую роль играли чёрные дыры в формировании ранней Вселенной. Раньше у нас было мало информации о чёрных дырах, которые существовали очень давно, когда Вселенная была молодой, поэтому было сложно понять, насколько они важны.

Недавнее исследование под руководством Софии Джерис из Кембриджского университета помогло пролить свет на эту загадку. Учёные использовали данные космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), который уже несколько лет собирает информацию о далёких объектах во Вселенной. В частности, они изучили спектры — особые «подписи» света — от множества далёких галактик, чтобы понять, есть ли в них чёрные дыры.

В исследовании использовались данные из программы JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), которая собрала тысячи спектров от объектов, расположенных очень далеко, то есть мы видим их такими, какими они были в далёком прошлом. Из примерно 4000 спектров были выбраны 600 галактик, очень удалённых от нас. При этом из анализа исключили яркие галактики с уже известными активными чёрными дырами, чтобы не пропустить слабые и менее заметные.

Учёные объединили спектры этих галактик, чтобы усилить слабые сигналы, которые могли указывать на присутствие менее активных чёрных дыр. Они искали особый свет, называемый широким Hα — он появляется, когда чёрная дыра активно поглощает вещество. Хотя такой свет может появляться и по другим причинам, учёные исключили эти варианты и подтвердили, что в центре многих галактик действительно есть слабые активные чёрные дыры.

Что важно, эти чёрные дыры оказались гораздо меньше, чем те, которые обычно находят в ранней Вселенной — их масса примерно в миллион раз больше массы нашего Солнца, что для чёрных дыр относительно мало. Они также были гораздо менее активными.

Это открытие помогло решить загадку: раньше казалось, что чёрные дыры в ранних галактиках слишком большие для своих хозяев. Теперь понятно, что существует много маленьких чёрных дыр, которые лучше соответствуют размерам своих галактик. Возможно, во многих случаях галактики сформировались раньше, чем их чёрные дыры.

В целом, эти исследования показывают, что чёрные дыры разного размера сыграли важную роль в развитии Вселенной. Телескоп Джеймса Уэбба помогает учёным лучше понять, как формировались первые галактики и чёрные дыры. Это только начало — впереди ещё много открытий, которые помогут нам глубже узнать историю нашей Вселенной.

Публикация взята с сайта: https://arxiv.org/abs/2506.22147