Ранній Всесвіт був бурхливим місцем, де галактики часто стикалися одна з одною і навіть зливалися. Використовуючи космічний телескоп Хаббл та інші космічні та наземні обсерваторії, астрономи, які досліджують ці події, зробили несподіване та рідкісне відкриття: пару гравітаційно пов’язаних квазарів, які обидва спалахують у двох галактиках, що зливаються. Вони існували, коли Всесвіту було всього 3 мільярди років.
Стародавні подвійні квазари
Квазари — це яскраві об’єкти, що живляться ненажерливими надмасивними чорними дірами, які викидають люті фонтани енергії, насищаючись газом, пилом та будь-чим іншим, що знаходиться в межах їх гравітаційної хватки.
«Ми не бачимо багато подвійних квазарів у цей ранній час у Всесвіті. І тому це відкриття таке захоплююче», — сказав аспірант Ю-Чін Чен з Університету Іллінойсу.
Пошук близьких подвійних квазарів є відносно новою областю досліджень, яка розвинулася за останні 10-15 років. Сучасні потужні нові обсерваторії дозволили астрономам ідентифікувати випадки, коли два квазари активні одночасно і знаходяться досить близько, щоб згодом злитися.
З’являється все більше доказів того, що великі галактики утворюються шляхом злиття. Менші системи об’єднуються, щоб утворити більші системи та все більші структури. Під час цього процесу в галактиках, що зливаються, повинні утворюватися пари надмасивних чорних дір.
«Знання про популяцію прабатьків чорних дір зрештою розповість нам про появу надмасивних чорних дір у ранньому Всесвіті та про те, наскільки частими могли бути ці злиття», — зазначив Чен.
Авторство: NASA, ESA, Yu-Ching Chen (UIUC), Hsiang-Chih Hwang (IAS), Nadia Zakamska (JHU), Yue Shen (UIUC)
«Ми починаємо розкривати цю вершину айсберга ранньої популяції подвійних квазарів», — сказав Сінь Лю з Університету Іллінойсу.
За його словами, у цьому полягає унікальність дослідження. Воно фактично говорить, що ця популяція існує, і тепер у вчених є метод ідентифікації подвійних квазарів, які розділені розміром менше, ніж одна галактика.
Пошук голки
Це був пошук «голка в стозі сіна», який вимагав об’єднання потужностей космічного телескопа Хаббла NASA та обсерваторій WM Keck на Гаваях. Багатохвильові спостереження з Міжнародної обсерваторії Джеміні на Гаваях, NSF Very Large Array Karl G. Jansky у Нью-Мексико та рентгенівської обсерваторії Чандра NASA також сприяли розумінню динамічного дуету. І космічна обсерваторія Gaia ESA (Європейського космічного агентства) допомогла ідентифікувати цей подвійний квазар.
«Чутливість і роздільна здатність Хаббла дали зображення, які дозволяють нам виключити інші можливості того, що ми бачимо», — сказав Чен.
Хаббл однозначно показує, що це справжня пара надмасивних чорних дір, а не два зображення одного квазара, створені гравітаційною лінзою на передньому плані. Крім того, Хаббл показує приливну функцію від злиття двох галактик, коли гравітація спотворює форму галактик, утворюючи два хвости зірок.
Однак одна лише чітка роздільна здатність Хаббла недостатня, щоб шукати ці подвійні світлові маяки. Дослідники залучили Gaia, який був запущений у 2013 році, щоб точно визначити потенційних кандидатів у подвійні квазари. Gaia дуже точно вимірює положення, відстані та рух найближчих небесних об’єктів. Але в новій техніці його можна використовувати для дослідження далекого Всесвіту. Величезну базу даних Gaia можна використовувати для пошуку квазарів, які імітують видимий рух найближчих зірок. У даних Gaia квазари виглядають як окремі об’єкти, тому що вони дуже близько один до одного. Однак Gaia може вловити ледве помітне, несподіване «тремтіння», яке імітує явну зміну положення деяких квазарів, які вона спостерігає.
Насправді квазари не рухаються в просторі жодним вимірним способом. Натомість їхнє коливання може бути доказом випадкових коливань світла, оскільки кожен член пари квазарів змінює яскравість у часових масштабах від днів до місяців, залежно від графіка живлення чорної діри. Ця змінна яскравість між парою квазарів схожа на те, щоб побачити сигнал залізничного переїзду на відстані. Оскільки вогні по обидва боки від стаціонарного сигналу почергово блимають, знак створює ілюзію «погойдування».
Інша проблема полягає в тому, що, оскільки гравітація спотворює простір, як дзеркало кімнати сміху, галактика на передньому плані може розділити зображення далекого квазара на дві частини, створюючи ілюзію, що це справді двійкова пара. Телескоп Кека був використаний, щоб переконатися, що між нами та ймовірним подвійним квазаром немає лінзової галактики.
Хаббл та Роман
Оскільки Хаббл дивиться в далеке минуле, цей подвійний квазар більше не існує. Протягом наступних 10 мільярдів років галактики-господарі, ймовірно, оселилися в гігантську еліптичну галактику, подібну до тих, які сьогодні можна побачити в локальному Всесвіті. І квазари злилися, щоб стати гігантською надмасивною чорною дірою в її центрі. У сусідній гігантській еліптичній галактиці M87 є жахлива чорна діра, вага якої в 6,5 мільярдів разів перевищує масу нашого Сонця. Можливо, ця чорна діра виросла в результаті злиття однієї або кількох галактик за останні мільярди років.
Космічний телескоп імені Ненсі Грейс Роман, який планується створити, має таку ж гостроту зору, як Хаббл, ідеальний для пошуку подвійних квазарів. Хаббл використовувався для ретельного збору даних для окремих цілей. Але дуже ширококутний інфрачервоний огляд Всесвіту Романа в 200 разів більший, ніж у Хаббла.
«Багато квазарів можуть бути подвійними системами. Телескоп Роман може значно покращити цю область досліджень», — додав Лю.
