Черная дыра квазара J0100+2802 останавливает звездообразование

Сверхмассивные черные дыры действуют как «космические хищники», способные подавлять звездообразование не только внутри своих родительских галактик, но и в соседних системах на расстоянии миллионов световых лет. Новое исследование, проведенное под руководством University of Arizona, указывает на то, что интенсивное излучение, испускаемое активными черными дырами — известными как квазары — нагревает и рассеивает холодный молекулярный газообразный водород, необходимый для рождения звезд. Это открытие, опубликованное в журнале The Astrophysical Journal Letters 3 декабря 2025 года, предполагает, что эволюция галактик — это взаимосвязанный «групповой процесс», а не изолированное явление, что фундаментально меняет наше понимание роста ранней Вселенной.

Исследование, возглавляемое постдокторантом Yongda Zhu из Steward Observatory, использовало беспрецедентную чувствительность James Webb Space Telescope (JWST) для наблюдения за далекой Вселенной. Изучая окружение одной из самых массивных черных дыр, когда-либо обнаруженных, команда выявила «зону подавления», где звездообразование было значительно заторможено. Это открытие дает долгожданное объяснение того, почему некоторые ранние галактики кажутся «мертвыми» или спокойными, несмотря на то, что они находятся в богатой газом среде.

Что такое квазар J0100+2802 и почему он важен?

Квазар J0100+2802 — это гиперсветящееся активное галактическое ядро, расположенное в 12,8 миллиарда световых лет от нас, энергию которому дает сверхмассивная черная дыра с массой в 12 миллиардов раз больше массы Солнца. Появившись всего через 900 миллионов лет после Большого взрыва, этот объект имеет критическое значение, поскольку его экстремальная светимость — в 420 триллионов раз больше солнечной — служит космическим маяком, позволяющим астрономам исследовать состояние межгалактической среды в Эпоху реионизации.

Наблюдения за J0100+2802 представляют собой окно в младенчество Вселенной, предоставляя лабораторию для изучения совместной эволюции черных дыр и галактик. Поскольку эта черная дыра настолько массивна и активна, она служит примером экстремальной радиационной обратной связи. Энергия, высвобождаемая при спиральном падении материи в горизонт событий, создает вращающийся диск из газа и пыли, который затмевает всю родительскую галактику, делая его видимым сквозь необъятность пространства и времени.

Важность J0100+2802 заключается в его рекордных показателях и месте на космической шкале времени:

• Масса: Приблизительно 12 миллиардов масс Солнца.
• Светимость: Эквивалентна 420 триллионам Солнц.
• Красное смещение: z = 6,30, что соответствует времени, когда Вселенной было менее 1 миллиарда лет.
• Расстояние: 12,8 миллиарда световых лет от Земли.

Могут ли сверхмассивные черные дыры выступать в роли космических хищников?

Сверхмассивные черные дыры действуют как космические хищники, испуская интенсивное излучение, которое лишает близлежащие галактики холодного газа, необходимого для звездообразования. Этот процесс, называемый межгалактической обратной связью, включает в себя «поглощение» квазаром местной материи с одновременным выбросом потоков энергии, которые нарушают экологический баланс окружающей космической паутины, фактически лишая соседние галактики потенциала для роста.

Традиционные модели галактической эволюции предполагали, что галактики в значительной степени независимы из-за огромных расстояний между ними. Однако Yongda Zhu и его команда из University of Arizona обнаружили, что одна гиперактивная черная дыра может обладать сферой влияния, простирающейся как минимум на один миллион световых лет. В пределах этого радиуса излучение квазара расщепляет молекулярный водород — основное топливо для звезд — до ионизированного состояния, в котором он не может коллапсировать под действием гравитации для образования новых звездных тел.

Это «хищническое» поведение создает волновой эффект во всей местной галактической экосистеме. Подобно высшему хищнику в земной среде, центральный квазар диктует численность и рост «видов» (галактик) вокруг него. Препятствуя охлаждению газа в соседних системах, черная дыра гарантирует, что эти галактики останутся маленькими и недоразвитыми, фактически преждевременно останавливая их эволюционный прогресс.

Как данные JWST показывают подавленное звездообразование вблизи квазаров?

Данные JWST выявляют подавленное звездообразование посредством измерения эмиссии O III (дважды ионизованного кислорода), которая служит химическим индикатором недавней звездной активности. Используя инструменты NIRCam и NIRSpec, исследователи заметили, что галактики в радиусе миллиона световых лет от квазара J0100+2802 демонстрируют значительно более слабые сигналы O III по сравнению с их ультрафиолетовым излучением, что указывает на отсутствие рождения новых звезд.

James Webb Space Telescope имел решающее значение для этого открытия, поскольку расширение Вселенной растянуло свет от этих ранних галактик в инфракрасный спектр. Предыдущим обсерваториям, таким как Hubble, не хватало инфракрасной чувствительности для обнаружения слабых сигналов ионизованного кислорода на таких экстремальных расстояниях. Данные высокого разрешения, предоставленные JWST, позволили исследователям отличить свет квазара от тонких сигнатур окружающих 117 галактик, выявленных в ходе исследования.

Интересно, что команда поначалу подумала о неисправности телескопа, когда увидела меньше галактик, чем ожидалось, вблизи квазара. «Мы были озадачены», — сказал Джу. «Затем мы поняли, что галактики на самом деле могут быть там, но их трудно обнаружить, потому что их недавнее звездообразование было подавлено». Об этом подавлении свидетельствует более низкое соотношение эмиссии O III, что подтверждает: радиационная обратная связь от черной дыры достигла соседних систем и разрушила облака холодного газа в них.

Ключевые технологические факторы, сделавшие это исследование возможным, включают:

• Визуализация NIRCam: Получены изображения галактик в ранней Вселенной с высоким разрешением.
• Спектроскопия NIRSpec: Позволила точно измерить химические элементы, такие как кислород и водород.
• Инфракрасная чувствительность: Преодолены препятствия, связанные с красным смещением, которые мешали предыдущим телескопам.
• Широкое поле зрения: Составлена карта распределения галактик в радиусе миллиона световых лет.

Последствия этого исследования распространяются и на нашу собственную галактику Млечный Путь. Астрономы полагают, что наша центральная черная дыра, Стрелец А*, вероятно, проходила фазу квазара в далеком прошлом. Понимание того, как древние квазары, такие как J0100+2802, влияли на свое окружение, помогает ученым восстановить историю нашей местной группы галактик и более широкую архитектуру космической паутины.

В будущем команда из University of Arizona планирует расширить свое исследование на другие поля квазаров, чтобы определить, является ли это «хищническое» поведение универсальной чертой всех сверхмассивных черных дыр. Если эти выводы подтвердятся для множества регионов ранней Вселенной, ученым придется радикально пересмотреть свои симуляции формирования первых структур в космосе. James Webb Space Telescope по-прежнему будет основным инструментом для этих исследований, снимая слои времени, чтобы показать, как самые буйные объекты Вселенной сформировали те спокойные галактики, которые мы наблюдаем сегодня.