Телескоп Уэбба сможет обнаруживать далекие галактики, скрытые в ярком свете квазаров

Квазары – самые яркие объекты во Вселенной и одни из самых энергетических. Они затмевают целые галактики, состоящие из миллиардов звезд. Сверхмассивная черная дыра лежит в основе каждого квазара, но не каждая черная дыра является квазаром. Только черные дыры, которые питаются наиболее сильно, могут обепечивать энергией квазар. Материал, падающий в сверхмассивную черную дыру, нагревается и заставляет квазар сиять во Вселенной, как маяк. Хотя известно, что квазары находятся в центрах галактик, трудно сказать, на что похожи эти галактики и как они сравниваются с галактиками без квазаров. Проблема в том, что блики квазара затрудняют или делают невозможным выделение света окружающей родительской галактики. Это все равно что смотреть прямо в фару автомобиля и пытаться выяснить, к какому типу автомобиля она прикреплена. Новое исследование предполагает, что космический телескоп Джеймса Уэбба, запуск которого запланирован на 2021 год, сможет обнаружить родительские галактики некоторых далеких квазаров, несмотря на их небольшие размеры и скрывающую пыль.

«Мы хотим знать, в каких галактиках живут эти квазары. Это может помочь нам ответить на такие вопросы: как черные дыры могут так быстро расти? Есть ли связь между массой галактики и массой черной дыры, как мы видим в соседней Вселенной?», – отметила ведущий автор Мэдлин Маршалл из Мельбурнского университета в Австралии, которая проводила свою работу в Центре передового опыта ARC по астрофизике всего неба в трех измерениях.

Ответить на эти вопросы сложно по ряду причин. В частности, чем дальше находится галактика, тем больше ее свет растягивается до более длинных волн в результате расширения Вселенной. В результате ультрафиолетовый свет аккреционного диска черной дыры или молодых звезд галактики смещается в инфракрасные длины волн.

В недавнем исследовании астрономы использовали возможности ближнего инфракрасного диапазона космического телескопа НАСА Хаббл для изучения известных квазаров в надежде обнаружить окружающее свечение своих родительских галактик без значительных обнаружений. Это говорит о том, что пыль внутри галактик заслоняет свет их звезд. Инфракрасные детекторы Уэбба смогут заглядывать сквозь пыль и обнаруживать скрытые галактики.


«Хаббл просто не уходит достаточно далеко в инфракрасном диапазоне, чтобы увидеть родительские галактики. Вот где Уэбб действительно преуспеет», – сказал Роджер Виндхорст из Университета штата Аризона в Темпе, соавтор исследования Хаббла.

Чтобы определить, что ожидается увидеть при помощи Уэбба, команда использовала современное компьютерное моделирование под названием BlueTides, разработанное командой под руководством Тицианы Ди Маттео из Университета Карнеги-Меллона в Питтсбурге, штат Пенсильвания.

«BlueTides разработан для изучения образования и эволюции галактик и квазаров в первый миллиард лет истории Вселенной. Его большой космический объем и высокое пространственное разрешение позволяют нам изучать эти редкие хозяева квазаров на статистической основе”, – сказал Юэин Ни из Университета Карнеги-Меллона, который проводил моделирование BlueTides. BlueTides обеспечивает хорошее согласие с текущими наблюдениями и позволяет астрономам предсказывать, что Уэбб должен увидеть.

Команда обнаружила, что галактики с квазарами, как правило, меньше среднего, охватывая лишь около 1/30 диаметра Млечного Пути, несмотря на то, что они содержат почти такую ​​же массу, как наша галактика.

Галактики в моделировании также имели тенденцию к быстрому формированию звезд, до 600 раз быстрее, чем текущая скорость звездообразования в Млечном Пути.

Затем команда использовала это моделирование, чтобы определить, что увидят камеры Уэбба, если обсерватория изучит эти удаленные системы. Они обнаружили, что отличить родительскую галактику от квазара возможно, но это все еще сложно из-за небольшого размера галактики на небе.

«Уэбб откроет возможность впервые наблюдать эти очень далекие родительские галактики», – сказала Маршалл.

Они также рассмотрели, что спектрографы Уэбба смогут почерпнуть из этих систем. Спектральные исследования, которые разделяют входящий свет на составляющие его цвета или длины волн, смогут выявить химический состав пыли в этих системах. Изучение того, сколько тяжелых элементов они содержат, может помочь астрономам понять историю их звездообразования, поскольку большинство химических элементов производятся в звездах.

Уэбб также мог определить, изолированы ли родительские галактики или нет. Исследование Хаббла показало, что у большинства квазаров есть обнаруживаемые галактики-компаньоны, но не удалось определить, действительно ли эти галактики находятся поблизости или они являются случайными суперпозициями. Спектральные возможности Уэбба позволят астрономам измерить красное смещение и, следовательно, расстояния этих видимых галактик-компаньонов, чтобы определить, находятся ли они на том же расстоянии, что и квазар.

В конечном итоге наблюдения Уэбба должны дать новое понимание этих экстремальных систем. Астрономы все еще пытаются понять, как черная дыра может вырасти до веса в миллиард раз больше нашего Солнца всего за миллиард лет.

«Эти большие черные дыры не должны существовать так рано, потому что у них не было достаточно времени, чтобы они стали такими массивными», – сказал соавтор Стюарт Уайт из Мельбурнского университета.

Космический телескоп Джеймса Уэбба станет главной в мире космической обсерваторией, когда он будет запущен в 2021 году. Уэбб будет разгадывать загадки в нашей солнечной системе, заглядывать в далекие миры вокруг других звезд и исследовать загадочные структуры и происхождение нашей Вселенной. Webb – это международная программа, которую возглавляет НАСА вместе со своими партнерами, ЕКА (Европейское космическое агентство) и Канадским космическим агентством (ККА).