Благодарение на значително подобрените възможности на днешните телескопи, астрономите проучват по-дълбоко в Космоса и още повече назад във времето. По този начин те успяха да се справят с някои дългогодишни мистерии за това как еволюира Вселената след Големия взрив. Една от тези мистерии е как свръхмасивните черни дупки (SMBH), които играят решаваща роля в еволюцията на галактиките, формирани по време на ранната Вселена.
Използвайки много големия телескоп (VLT) на ESO в Чили, международен екип от астрономи наблюдава галактики, тъй като те се появяват около 1,5 милиарда години след Големия взрив (преди около 12,5 милиарда години). Изненадващо, те наблюдаваха големи резервоари от хладен водороден газ, които биха могли да осигурят достатъчен „хранителен източник“ за SMBH. Тези резултати биха могли да обяснят как SMBH растат толкова бързо през периода, известен като Космическата зора.
Екипът беше ръководен от д-р Емануеле Паоло Фарина от Института за астрономия „Макс Планк“ (MPIA) и Института за астрофизика „Макс Планк“ (MPA). Към него се присъединиха изследователи както от MPIA, така и от MPA, Европейската южна обсерватория (ESO), UC Santa Barbara, Астрофизичната обсерватория Arcetri, Обсерваторията по астрофизика и космическа наука от Болоня и Института за извънземна физика на Макс Планк (MPEP).
От десетилетия астрономите изучават SMBH, които съществуват в основата на повечето галактики и се идентифицират от техните активни галатични ядра (AGN). Тези ядра, които са известни още като квазари, могат да излъчват повече енергия и светлина, отколкото останалите звезди в галактиката, взети заедно. Към днешна дата най-отдалеченият наблюдаван е ULAS J1342 + 0928, който е разположен на 13,1 милиарда светлинни години.
Като се има предвид, че първите звезди се изчисляват, че са се образували само 100 000 години след Големия взрив (около 13,8 милиарда години), това означава, че SMBH трябваше да са се образували бързо от първите звезди, които да умрат. Досега обаче астрономите не бяха открили прах и газ в достатъчно големи количества по време на ранната Вселена, за да обяснят този бърз растеж.
В допълнение, предишни наблюдения, проведени с Atacama Large Millimeter / submillimeter Array (ALMA), разкриха, че ранните галактики съдържат много прах и газ, които подхранват бързото образуване на звезди. Тези открития показват, че няма да остане много материал за захранване на черни дупки, което само задълбочава мистерията как те също така бързо нарастват.
За да се справят с това, Фарина и неговите колеги разчитаха на данни, събрани от инструмента за мулти-единичен спектроскопичен изследовател (MUSE) на VLT, за да изследват 31 квазара на разстояние от около 12,5 милиарда светлинни години (като по този начин наблюдаваха как изглеждаха преди 12,5 милиарда години). Това прави изследването им една от най-големите проби на квазари от този ранен период на Вселената. Това, което намериха, бяха 12 разширени и изненадващо гъсти водородни облаци.
Тези водородни облаци бяха идентифицирани по характерния си блясък в UV светлина. Като се има предвид разстоянието и ефекта на червено изместване (където дължината на вълната на светлината се разтяга поради космическо разширяване), земните телескопи възприемат сиянието като червена светлина. Както Фарина обясни в прессъобщение на MPIA:
“Най-вероятното обяснение на блестящия газ е механизмът на флуоресценция. Водородът превръща богатата на енергия радиация на квазара в светлина със специфична дължина на вълната, което се забелязва с проблясък.”
Облаците от хладен и плътен водород - които бяха няколко милиарда пъти по-големи от масата на Слънцето - образуваха ореоли около ранните галактики, които се простираха за 100 000 светлинни години от централните черни дупки. Обикновено откриването на такива облаци около квазари (които са интензивно ярки) е доста трудно. Но благодарение на чувствителността на инструмента MUSE - който Фарина определи като „игра на смяна“ - екипът ги намери доста бързо.
Както каза Алиса Дрейк, изследовател от MPIA, която също допринесе за изследването:
“С настоящите проучвания едва сега започваме да изследваме как първите супермасивни черни дупки успяха да се развият толкова бързо. Но нови инструменти като MUSE и бъдещия космически телескоп James Webb ни помагат да решим тези вълнуващи пъзели.”
Екипът откри, че тези газови ореоли са плътно свързани с галактиките, осигурявайки перфектния „хранителен източник“ за поддържане както бързото образуване на звезди, така и растежа на свръхмасивни черни дупки. Тези наблюдения ефективно разрешават загадката как супермасивните черни дупки могат да съществуват толкова рано в историята на Вселената. Както Фарина обобщава:
“Вече сме в състояние да докажем за първи път, че първичните галактики имат достатъчно храна в средата си, за да поддържат както растежа на свръхмасивни черни дупки, така и енергичното образуване на звезди. Това добавя фундаментално парче към пъзела, който астрономите изграждат, за да представят как космическите структури са се образували преди повече от 12 милиарда години.”
В бъдеще астрономите ще разполагат с още по-сложни инструменти, с които да изучават галактики и SMBH в ранната Вселена, които трябва да разкрият още повече подробности за древните газови облаци. Това включва изключително големият телескоп на ESO (ELT), както и космически телескопи като космическия телескоп James Webb (JWST).
Проучването, което описва откритията на екипа, се появи в броя на 20 декември на The Astrophysical Journal.
