Квазары-самые яркие объекты во Вселенной и одни из самых энергичных. Они затмевают целые галактики из миллиардов звезд. Сверхмассивная черная дыра лежит в основе каждого квазара, но не каждая черная дыра является квазаром. Только черные дыры, которые питаются наиболее ненасытно, могут питать квазар. Материал, падающий в сверхмассивную черную дыру, нагревается и заставляет квазар яростно сиять во Вселенной, как маяк маяка.

Хотя известно, что квазары находятся в центрах галактик, трудно сказать, на что похожи эти галактики и как они сравниваются с галактиками без квазаров. Проблема заключается в том, что блики квазара затрудняют или делают невозможным рассеивание света окружающей галактики-хозяина. Это все равно что смотреть прямо в автомобильную фару и пытаться понять, к какому автомобилю она прикреплена.

Новое исследование предполагает, что космический телескоп НАСА имени Джеймса Уэбба, запуск которого намечен на 2021 год, сможет обнаружить галактики-хозяева некоторых отдаленных квазаров, несмотря на их небольшие размеры и затеняющую пыль.

- Мы хотим знать, в каких галактиках живут эти квазары. Это может помочь нам ответить на такие вопросы, как: как черные дыры могут расти так быстро? Существует ли связь между массой галактики и массой черной дыры, как мы видим в соседней вселенной?" - сказала ведущий автор Мэдлин Маршалл из Мельбурнского университета в Австралии, которая проводила свою работу в центре передового опыта ARC по всей астрофизике неба в 3 измерениях.

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

В недавнем исследовании астрономы использовали возможности космического телескопа Хаббла в ближнем инфракрасном диапазоне для изучения известных квазаров в надежде обнаружить окружающее свечение их галактик-хозяев без значительных обнаружений. Это говорит о том, что пыль внутри галактик затемняет свет их звезд. Инфракрасные детекторы Уэбба смогут заглянуть сквозь пыль и обнаружить скрытые галактики.

- Хаббл просто недостаточно глубоко проникает в инфракрасное излучение, чтобы увидеть галактики-хозяева. Вот где Уэбб действительно преуспеет",-сказал Роджер Виндхорст из Аризонского государственного университета в темпе, соавтор исследования Хаббла.

Чтобы определить, что Уэбб ожидает увидеть, команда использовала современную компьютерную симуляцию под названием BlueTides, разработанную командой во главе с Тицианой Ди Маттео из Университета Карнеги-Меллона в Питтсбурге, штат Пенсильвания.

"BlueTides предназначен для изучения формирования и эволюции галактик и квазаров в течение первого миллиарда лет истории вселенной. Его большой космический объем и высокое пространственное разрешение позволяют нам изучать эти редкие хозяева квазаров на статистической основе", - сказал Юйин ни из Университета Карнеги-Меллона, который провел моделирование BlueTides. BlueTides обеспечивает хорошее согласие с текущими наблюдениями и позволяет астрономам предсказать, что должен увидеть Уэбб.

Команда обнаружила, что галактики, в которых находятся квазары, как правило, меньше среднего, охватывая только около 1/30 диаметра Млечного Пути, несмотря на то, что содержат почти столько же массы, сколько наша галактика. "Галактики-хозяева удивительно малы по сравнению со средней галактикой в тот момент времени", - сказал Маршалл.

Галактики в моделировании также имели тенденцию быстро образовывать звезды, до 600 раз быстрее, чем текущая скорость звездообразования в Млечном пути. "Мы обнаружили, что эти системы растут очень быстро. Они похожи на не по годам развитых детей – они все делают рано",-объяснил соавтор Ди Маттео.

Затем команда использовала эти симуляции, чтобы определить, что увидят камеры Уэбба, если обсерватория изучит эти отдаленные системы. Они обнаружили, что отличить галактику-хозяина от квазара будет возможно, хотя все еще сложно из-за небольшого размера галактики на небе.

"Уэбб откроет возможность впервые наблюдать эти очень далекие галактики-хозяева", - сказал Маршалл.

Они также рассмотрели то, что спектрографы Уэбба могли бы извлечь из этих систем. Спектральные исследования, которые разделяют входящий свет на составляющие его цвета или длины волн, могли бы 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 образуется в звездах.

Уэбб также мог определить, изолированы ли галактики-хозяева или нет. Исследование Хаббла показало, что большинство квазаров имеют обнаруживаемые галактики-компаньоны, но не смогли определить, действительно ли эти галактики находятся поблизости или они являются случайными суперпозициями. Спектральные возможности Уэбба позволят астрономам измерить красное смещение и, следовательно, расстояния между этими видимыми галактиками-компаньонами, чтобы определить, находятся ли они на том же расстоянии, что и квазар.

В конечном счете, 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, чем наше Солнце всего за миллиард лет. "Эти большие черные дыры не должны существовать так рано, потому что у них не было достаточно времени, чтобы вырасти настолько массивными",-сказал соавтор Стюарт Уайтх из Мельбурнского университета.

Будущие исследования квазаров будут также подпитываться синергией между несколькими будущими обсерваториями. Инфракрасные съемки с миссией Европейского космического агентства "Евклид", а также наземной обсерваторией Веры К. Рубин, Национальным научным фондом/Департаментом энергетики объекта, который в настоящее время строится на Серро-Пачон в пустыне Атакама Чили. Обе обсерватории значительно увеличат число известных дальних квазаров. Эти новооткрытые квазары будут затем исследованы Хабблом и Уэббом, чтобы получить новое понимание лет формирования Вселенной.

ИСТОЧНИК