Расположение и перемещение галактик во Вселенной отнюдь не случайно. Помимо явных скоплений галактики связаны нитеподобными структурами. По всей видимости, в основе «нитей» лежит тёмная материя, которая постепенно собирала вокруг себя обычное вещество. Вначале это была слабая космическая паутина, но со временем она становилась всё более прочной и заметной. «Джеймс Уэбб» смог проследить начало формирования призрачных нитей, связывающих галактики в огромные структуры.

Кругами отмечены связанные космической нитью галактики, а объединяющий квазар находится в центре трёх кругов справа. Источник изображения: NASA, ESA, CSA

Центрами «сборки» космической паутины считаются сверхмассивные чёрные дыры или активные ядра галактик, которые также называют квазарами. Наблюдение за одним квазаром (J0305-3150) в ранней Вселенной в эпоху реионизации позволило выявить 10 связанных с ним галактик, соединённых космической «нитью» длиной 3 млн световых лет.

«Я был удивлен тем, насколько длинной и узкой является эта нить, — сказал участник исследования Сяохуи Фань (Xiaohui Fan) из Университета Аризоны в Тусоне. — Я ожидал найти что-то, но не ожидал такой длинной, отчётливо тонкой структуры». Руководитель проекта Фейдж Ванг (Feige Wang) из того же университета добавил: «Это одна из самых ранних связанная с далёким квазаром нитевидных структур, которые люди когда-либо находили».

Со временем эта нить превратится в громадное галактическое скопление, и оно где-то есть, а изучение космической паутины на ранних этапах даёт возможность проследить за эволюцией таких процессов.

Проделанная учёными работа входит в рамки проекта по изучению самых первых чёрных дыр. Всего в рамках программы ASPIRE (A SPectroscopic survey of biased halos In the Reionization Era) будут наблюдаться 25 квазаров, существовавших в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва. Программа призвана решить множество загадок, связанных с эволюцией чёрных дыр и одна из них — это слишком быстрое их появление в виде сверхмассивных объектов, на что, в теории, в те времена не хватило бы и времени, и материи.

Группа астрономов сообщила о первом в мире наблюдении света звёзд из очень ранних активных галактик (квазаров). «Джеймс Уэбб» смог увидеть звёздное население в свете квазаров на удалении 12,9 и 12,8 миллиардов лет или во времена всего лишь через 870 и 880 млн лет после Большого взрыва. Так далеко и с такой разрешающей способностью земная наука ещё не заглядывала. Открытие поможет понять эволюцию звёзд, галактик и сверхмассивных чёрных дыр в их центрах.

Квазар HSC J2236+0032 в поле зрения космического телескопа «Джеймс Уэбб». Источник изображения: Ding, Onoue, Silverman, et al.

Космический телескоп «Хаббл» помог учёным увидеть звёзды в активных галактиках на расстоянии 10 млрд световых лет. «Уэбб» заглянул ещё дальше — почти на 13 млрд лет или в эпоху, когда первые звёзды образовывали первые галактики. До этого наука смогла составить представление об эволюции квазаров и их галактик-хозяек в зрелые годы Вселенной вплоть до нашего времени. Но что было в ранние эпохи развития Вселенной оставалось нам неизвестным.

Следует сказать, что в исследованной нами Вселенной масса квазаров коррелирует с массой галактик, в которых они находятся (квазар — это активно питающаяся сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики или, иначе, её активное ядро). Тем самым существует примерная зависимость массы квазаров от массы галактик. Учёные не могут со 100-процентной уверенностью ответить, почему так происходит. На этот счёт существует две основные гипотезы: либо излучение квазара влияет на активность звездообразования в галактиках-хозяйках, либо чёрные дыры растут пропорционально росту галактик в цепочке последовательных слияний более мелких галактик и чёрных дыр из их центров.

Наблюдения «Уэбба» дают ценный материал для изучения эволюции галактик и квазаров на ранних этапах, что может подтвердить ту или иную гипотезу и для этого необходимо уметь отделять свет звёзд в галактиках от света квазаров в их центрах, который затмевает всё остальное излучение рядом с собой. Ведь узнать о массе далёкой галактики мы можем, только анализируя свет от её звёздного населения. «Уэбб» предоставил такую возможность для объектов на невообразимом удалении.

Два квазара из ранней Вселенной — J2236+0032 и J2255+0251 — оказались с тем же соотношением масс чёрных дыр к массам их галактик, как и в нашей области Вселенной. Галактики, в центрах которых они обитали на тот момент времени, обладали массой в 130 млрд и 30 млрд раз больше солнечной, а массы их центральных чёрных дыр были в 1,4 млрд и 200 млн раз больше массы Солнца.

Безусловно, двух наблюдений недостаточно для создания стройной теории, поэтому «Джеймс Уэбб» продолжит изучение квазаров в ранней Вселенной и такие программы уже намечены и выполняются.

Три года назад в центре нашей галактики астрономы обнаружили четыре необычных объекта, которые выглядели как гигантские облака газа и пыли, но вели себя как звёзды. Первые два объекта с такими же свойствами были открыты там же около 20 лет назад. Вместе их стали называть «объектами G». Многолетний сбор данных позволил сделать обоснованное предположение о природе загадочных образований.

Объекты G в представлении художника. Источник изображения: Jack Ciurlo/UCLA

В журнале Nature вышла статья, в которой астрономы объяснили вероятную природу объектов G. Первые два из них были открыты в начале нулевых годов и получили названия G1 и G2. Объекты G3, G4, G5 и G6 были обнаружены в 2020 году. Все они «обитают» в центре нашей галактики Млечный Путь и вращаются вокруг сверхмассивной звезды Стрелец А* (Sgr A*). Впрочем, орбиты первых двух объектов сильно отличаются от орбит четырёх других — они ближе к круговым, тогда как остальные объекты движутся по сильно вытянутым орбитам с периодом до 1600 лет, а минимальный орбитальный период объектов G при этом составляет 170 лет.

За первые годы наблюдений сложилось впечатление, что объекты G — это гигантские облака из пыли и газа до 100 а.е. в поперечнике. Однако максимальное сближение объекта G2 с чёрной дырой в 2014 и последующий уход от неё показали, что «облако» повело себя как компактный объект. Если бы это был молекулярный газ (водород), чёрная дыра полностью поглотила бы его с соответствующим выбросом энергии после аккреции. Но этого не произошло. При сближении с чёрной дырой объект стал вытянутой формы, а после удаления вновь приобрёл прежний вид.

По сумме полученных данных астрономы предположили, что объект G2 может быть продуктом слияния двух массивных звёзд в ранее двойной системе. Двойные звёзды могли врезаться друг в друга в процессе эволюции системы, а также под влиянием гравитации сверхмассивной чёрной дыры. Собственно обнаружение шести объектов с похожим поведением в окрестностях Стрельца А* как бы намекает о большой вероятности подобного развитии событий. Столкновение двух массивных звёзд теоретически способно создать одно ядро — звезду — окружённое колоссальным пузырём из газа и пыли.

Орбиты известных объектов G. Источник изображения: Anna Ciurlo/Tuan Do/UCLA Galactic Center Group

В центре галактики обычно массивное звёздное население и двойных звёздных систем там тоже довольно много, чтобы подобные столкновения случались довольно часто и, особенно, в присутствии сверхмассивной чёрной дыры, гравитация которой провоцировала бы такие события. Поэтому неудивительно, что астрономы обнаружили «деревья в лесу при наблюдении за лесом», правда, таких «деревьев» они раньше не видели, а может просто не замечали по незнанию.

Возможно многие из наблюдаемых нами звёзд родились не в процессе обычной эволюции от зародыша протозвезды, а возникли в процессе гибели двойных звёздных систем после слияния звёздных пар. Первые шесть обнаруженных объектов G могут стать толчком к изменениям в теории эволюции звёзд и это важно, поскольку все наши базовые знания о Вселенной строятся на математических моделях и если они в чём-то неверны, то это скажется в области фундаментальной физики и, так или иначе, затронет многие области науки и техники.

Астрономы давно подозревали, что наблюдаемый с 1888 года квазар OJ 287 в созвездии Рака — это галактика с двумя сверхмассивными чёрными дырами в своём центре. Но эта галактика так далеко от нас, а чёрные дыры расположены в такой близости друг к другу, что сигналы от них сливаются в одну точку. Последний цикл наблюдений за OJ 287 принёс долгожданное открытие — сигналы от второй чёрной дыры впервые были надёжно обнаружены.

Источник изображения: AAS 2018

Активная галактика OJ 287 находится от нас на расстоянии около 5 млрд световых лет. Этот объект наблюдается астрономами 135 лет и изучен очень хорошо. Это отличная цель для проверки астрофизических теорий, которая даёт возможность на практике проверить те или иные модели. Наблюдения последних 40 лет позволили выявить два цикла в изменении активности галактики. Один из них 12-летний, а другой — 55-летний. Меньший цикл очевидным образом связали с орбитальным движением менее массивной чёрной дыры в центре галактики вокруг её намного большего партнёра по двойной системе.

Наибольшая в этой паре чёрных дыр сверхмассивная чёрная дыра считается второй по массе среди обнаруженных СМЧД. Её масса составляет около 18 млрд масс Солнца. Моделирование показало, что меньшая чёрная дыра в паре имеет массу около 150 млн масс Солнца. На фоне намного более крупного партнёра её невозможно было надёжно детектировать и учёные лишь догадывались о её присутствии.

Надёжным признаком обнаружения чёрной дыры может быть наличие активного аккреционного диска — обширной области газа и пыли, ближайшая к дыре часть которой раскалена до миллиардов градусов по Цельсию. Эта область светится почти во всех электромагнитных диапазонах, не говоря о периодическом появлении колоссальных выбросов энергии в виде джетов с полюсов чёрной дыры, которые также отлично фиксируются нашими приборами. Именно по таким признакам была детектирована наибольшая чёрная дыра из этой пары.

Обнаружить активность менее массивной чёрной дыры из пары смогли польские астрономы во время наблюдений в цикле 2021/2022 годов. Они заметили короткоживущую яркую вспышку, длительность которой длилась меньше суток. Анализ архивных данных показал, что подобные явления могли быть зафиксированы и раньше, но их банально проспали. Моделирование показало, что короткоживущая вспышка — это не джет от второй СМЧД (там другая физика), а момент пересечения менее массивной СМЧД акреционного диска второй чёрной дыры. Она как бы ныряет в аккреционный диск своей соседки по системе и в этот момент происходит выброс энергии. Аналогичная вспышка фиксируется в процессе «выныривания» с другой стороны. Это как танец с саблями или лазерными мечами, если использовать сравнимые понятия, когда два партнёра кружат один вокруг другого в орбитальном танце и соударяются мечами-дисками.

Бинарная система чёрных дыр в OJ 287 оказалась ещё интереснее, чем представляли учёные. Наблюдения за этим объектом будут продолжены. Можно ожидать, что учёные также попытаются проследить за ней с помощью гравитационных детекторов. Это даст ещё больше данных о физике процессов, которые мы никогда не сможем воспроизвести в земных лабораториях.