Прежде чем космос достиг своего миллиардного дня рождения, некоторые из самых первых космических лучей начали долгое путешествие по расширяющейся Вселенной. Один конкретный луч света от источника энергии, называемого квазаром, по счастливой случайности прошел рядом с промежуточной галактикой, гравитация которой искривляла и увеличивала свет квазара и перефокусировала его в нашем направлении, позволяя телескопам вроде Gemini North детально исследовать квазар.
«Если бы не этот импровизированный космический телескоп, свет квазара выглядел бы примерно в 50 раз тусклее», – сказал Сяохуэй Фань из Университета Аризоны, руководивший исследованием. "Это открытие демонстрирует, что квазары с сильной гравитационной линзой действительно существуют, несмотря на тот факт, что мы искали более 20 лет и не нашли других так далеко назад."
Наблюдения за Близнецами предоставили ключевые фрагменты головоломки, заполнив критическую дыру в данных.
Телескоп Gemini North на Маунакее, Гавайи, использовал спектрограф Gemini Near-InfraRed Spectrograph (GNIRS) для анализа значительной части инфракрасной части спектра света. Данные Близнецов содержали контрольную сигнатуру магния, которая имеет решающее значение для определения того, как далеко назад во времени мы смотрим.
Наблюдения за Близнецами также привели к определению массы черной дыры, питающей квазар. «Когда мы объединили данные Близнецов с наблюдениями из нескольких обсерваторий на Маунакее, космического телескопа Хаббла и других обсерваторий по всему миру, мы смогли нарисовать полную картину квазара и промежуточной галактики», – сказал Файге Ван из университета. из Калифорнии, Санта-Барбара, который является членом исследовательской группы.
На этом снимке видно, что квазар расположен очень далеко во времени и пространстве – вскоре после того, что известно как Эпоха реионизации, – когда в результате Большого взрыва появился самый первый свет. «Это один из первых источников, который засиял, когда Вселенная вышла из космических темных веков», – сказал Джиньи Ян из Университета Аризоны, еще один член команды исследователей. «До этого не образовывались ни звезды, ни квазары, ни галактики, пока такие объекты не выглядели как свечи в темноте."
Галактика на переднем плане, с которой мы можем наблюдать квазар, особенно тусклая, что крайне случайно. «Если бы эта галактика была намного ярче, мы не смогли бы отличить ее от квазара», – пояснил Фан, добавив, что это открытие изменит то, как астрономы будут искать линзовые квазары в будущем, и могло бы значительно увеличить количество линзированных квазаров. открытия квазаров. Однако, как предположил Фан: «Мы не ожидаем найти много квазаров ярче, чем этот, во всей наблюдаемой Вселенной."
Сильный блеск квазара, известный как J0439 + 1634 (J0439 + 1634 для краткости), также предполагает, что он подпитывается сверхмассивной черной дырой в центре молодой формирующейся галактики. Широкий вид магниевого отпечатка пальца, захваченного Близнецами, также позволил астрономам измерить массу сверхмассивной черной дыры квазара в 700 миллионов раз больше массы Солнца.
Сверхмассивная черная дыра, скорее всего, окружена значительным сплющенным диском из пыли и газа. Этот тор материи, известный как аккреционный диск, скорее всего, непрерывно движется по спирали внутрь, чтобы подпитывать электростанцию черной дыры. Наблюдения на субмиллиметровом диапазоне волн с помощью телескопа Джеймса Клерка Максвелла на Маунакее предполагают, что черная дыра не только аккрецирует газ, но и может вызывать рождение звезд с огромной скоростью – которая, по-видимому, составляет до 10 000 звезд в год; для сравнения, наша Галактика Млечный Путь делает одну звезду в год. Однако из-за повышающего эффекта гравитационного линзирования фактическая скорость звездообразования может быть намного ниже.
Квазары – чрезвычайно энергичные источники, питаемые огромными черными дырами, которые, как считается, находились в самых первых галактиках, которые образовались во Вселенной. Из-за своей яркости и расстояния квазары дают уникальную возможность заглянуть в условия ранней Вселенной.
Этот квазар имеет красное смещение 6.51, что соответствует расстоянию 12.8 миллиардов световых лет, и кажется, что он светит комбинированным светом около 600 триллионов Солнц, усиленным увеличением гравитационного линзирования. Галактика переднего плана, изгибающая свет квазара, находится примерно на половине этого расстояния, всего в 6 миллиардах световых лет от нас.
Команда Фана выбрала J0439 + 1634 как очень далекий кандидат в квазар на основе оптических данных из нескольких источников: панорамного обзорного телескопа и системы быстрого реагирования1 (Pan-STARRS1; управляется Институтом астрономии Гавайского университета), Великобритания. -Red Telescope Hemisphere Survey (проводится на Маунакее, Гавайи) и архив космического телескопа NASA Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE).
Первые последующие спектроскопические наблюдения, проведенные на Многозеркальном телескопе в Аризоне, подтвердили, что объект является квазаром с большим красным смещением. Последующие наблюдения с телескопов Gemini North и Keck I на Гавайях подтвердили открытие MMT и привели к обнаружению Gemini важнейшего магниевого отпечатка пальца – ключа к определению фантастического расстояния до квазара. Однако линзирующая галактика на переднем плане и квазар кажутся настолько близкими, что их невозможно разделить на изображениях, сделанных с земли, из-за размытия атмосферы Земли.
Благодаря невероятно резким изображениям космического телескопа Хаббла выяснилось, что изображение квазара разделено на три компонента слабой линзирующей галактикой.
Квазар созрел для будущего исследования. Астрономы также планируют использовать Большую миллиметровую / субмиллиметровую решетку Атакамы и, в конечном итоге, космический телескоп НАСА Джеймса Уэбба, чтобы заглянуть в пределах 150 световых лет от черной дыры и напрямую обнаружить влияние гравитации черной дыры на движение газа и звездообразование в ней. его окрестности.
Любые будущие открытия очень далеких квазаров, таких как J0439 + 1634, будут продолжать учить астрономов химическому окружению и росту массивных черных дыр в нашей ранней Вселенной.