Những quan sát gần đây của Kính viễn vọng Không gian James Webb về hai chuẩn tinh từ thời kỳ sơ khai của vũ trụ tiết lộ những hiểu biết quan trọng về mối quan hệ ban đầu giữa các lỗ đen và các thiên hà của chúng, phản ánh tỷ lệ khối lượng được thấy trong vũ trụ gần đây hơn.

Những hình ảnh mới do Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST) chụp lần đầu tiên đã tiết lộ ánh sáng sao từ hai thiên hà khổng lồ chứa các lỗ đen đang phát triển tích cực – chuẩn tinh – được nhìn thấy chưa đầy một tỷ năm sau Vụ nổ lớn. Các lỗ đen có khối lượng gấp khoảng một tỷ lần Mặt trời và khối lượng của các thiên hà chủ của chúng lớn hơn khoảng một trăm lần, một tỷ lệ tương tự như những gì được tìm thấy trong vũ trụ trẻ hơn. Theo một nghiên cứu gần đây năm 2016, sự kết hợp mạnh mẽ giữa khảo sát trường rộng của Kính viễn vọng Subaru và Kính viễn vọng Không gian James Webb đã mở ra một phương pháp mới để nghiên cứu vũ trụ xa xôi. thiên nhiên.

Những quan sát về lỗ đen khổng lồ đã thu hút sự chú ý của các nhà thiên văn học trong những năm gần đây. Kính thiên văn Chân trời Sự kiện (EHT) đã bắt đầu chụp ảnh “bóng” của các lỗ đen ở trung tâm các thiên hà. Giải thưởng Tiểu thuyết Vật lý năm 2020 được trao cho những quan sát chuyển động của sao ở trung tâm thiên hà. dải Ngân Hà. Mặc dù sự tồn tại của những lỗ đen khổng lồ như vậy đã được xác định rõ ràng nhưng không ai biết được nguồn gốc của chúng.

Các nhà thiên văn học đã báo cáo sự tồn tại của các lỗ đen có khối lượng bằng một tỷ lần khối lượng mặt trời trong một tỷ năm đầu tiên của vũ trụ, vậy làm sao những lỗ đen này có thể phát triển lớn đến vậy khi vũ trụ còn quá trẻ? Điều khó hiểu hơn nữa là các quan sát trong vũ trụ địa phương cho thấy mối quan hệ rõ ràng giữa khối lượng của các lỗ đen siêu lớn và các thiên hà lớn hơn nơi chúng cư trú. Các thiên hà và lỗ đen có kích thước hoàn toàn khác nhau, vậy cái nào có trước: lỗ đen hay thiên hà? Đây là vấn đề “con gà hay quả trứng” ở cấp độ vũ trụ.

Hình ảnh JWST NIRCam 3,6 µm của HSC J2236+0032. Ảnh thu nhỏ, ảnh chuẩn tinh và ảnh thiên hà chủ sau khi trừ ánh sáng chuẩn tinh (từ trái sang phải). Tỷ lệ hình ảnh được biểu thị bằng năm ánh sáng trong mỗi bảng. Nhà cung cấp hình ảnh: Ding, Ono, Silverman và cộng sự.

Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế được dẫn đầu bởi Masafusa Ono, Nghiên cứu viên Kavli về Vật lý thiên văn tại Viện Thiên văn học và Vật lý thiên văn Kavli (KIAA) tại Đại học Bắc Kinh, và Shuheng Ding, Nghiên cứu viên tại Viện Vật lý và Toán học Vũ trụ Kavli (Kavli IPMU). ). ), và John Silverman, giáo sư Kavli tại IPMU, đã bắt đầu trả lời câu hỏi này bằng cách sử dụng Kính viễn vọng Không gian James Webb (JWST), kính viễn vọng không gian dài 6,5 mét được phát triển thông qua sự hợp tác quốc tế giữa… NASAcác Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) và Cơ quan Vũ trụ Canada (CSA) và được phóng vào tháng 12 năm 2021.

Các quasar phát sáng, trong khi các thiên hà chủ của chúng mờ nhạt, điều này khiến các nhà nghiên cứu khó phát hiện ánh sáng thiên hà mờ nhạt trong ánh sáng rực rỡ của quasar, đặc biệt là ở khoảng cách xa. “Việc tìm kiếm các thiên hà chủ của các quasar ở độ dịch chuyển đỏ 6 giống như cố gắng phát hiện đom đóm trong một màn trình diễn pháo hoa ngoạn mục khi đeo kính mờ. Các thiên hà chủ cực kỳ mờ và độ phân giải hình ảnh rất hạn chế, ngay cả với Kính viễn vọng Không gian HubbleXuheng Ding cho biết: “Điều này khiến việc bộc lộ vẻ đẹp tiềm ẩn của nó thực sự là một thách thức”.

Ý tưởng của nghệ sĩ về Kính viễn vọng Không gian James Webb của NASA. Nguồn hình ảnh: NASA, ESA và Northrop Grumman

Nhóm nghiên cứu đã quan sát hai chuẩn tinh bằng Kính viễn vọng Không gian James Webb, HSC J2236+0032 và HSC J2255+0251, ở độ dịch chuyển đỏ 6,40 và 6,34 khi vũ trụ khoảng 860 triệu năm tuổi. Hai chuẩn tinh này ban đầu được phát hiện thông qua một cuộc khảo sát quy mô lớn bằng kính viễn vọng Subaru 8,2 mét, nhờ đó nhóm nghiên cứu đã xác định được hơn 160 chuẩn tinh cho đến nay. Độ sáng tương đối thấp của các quasar này khiến chúng trở thành mục tiêu hàng đầu để đo các đặc tính của thiên hà chủ của chúng và việc phát hiện thành công các thiên hà chủ đại diện cho kỷ nguyên đầu tiên cho đến nay trong đó ánh sáng sao được phát hiện trong một chuẩn tinh.

Hình ảnh của các chuẩn tinh ở bước sóng hồng ngoại 3,56 và 1,50 micron được chụp bằng thiết bị NIRCam của JWST và các thiên hà chủ trở nên rõ ràng sau khi mô hình hóa và trừ đi cẩn thận ánh sáng phát ra từ các lỗ đen đang tích tụ. Dấu hiệu sao của thiên hà chủ cũng được nhìn thấy trong quang phổ được ghi lại bởi NIRSpec của J2236+0032 của JWST, hỗ trợ cho việc khám phá thiên hà chủ. Masafusa Onoe nói: “Tôi đã tham gia sâu vào cuộc khảo sát của Subaru về các chuẩn tinh dịch chuyển đỏ cao kể từ những năm làm tiến sĩ tại Đài quan sát Thiên văn Quốc gia Nhật Bản. Tôi vô cùng tự hào về việc phát hiện thành công ánh sáng sao từ các quasar HSC mà chúng tôi đã tìm thấy cùng với Subaru”.

Nhà nghiên cứu dự án Kavli IPMU Xuheng Ding, Giáo sư John Silverman và Viện Thiên văn học và Vật lý thiên văn Kavli (PKU-KIAA) Thành viên Vật lý thiên văn Kavli Masafusa Onoue (từ trái sang). Nhà cung cấp dịch vụ: Kavli IPMU, Kavli IPMU, Masafusa Onoue

Qua quan sát, nhóm nghiên cứu nhận thấy… Hố đen Khối lượng của thiên hà chủ tương tự như khối lượng được thấy trong vũ trụ trẻ hơn. Kết quả cho thấy mối quan hệ giữa lỗ đen và vật chủ của chúng đã tồn tại trong một tỷ năm đầu tiên sau vụ nổ vụ nổ lớn. Nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục nghiên cứu này với một mẫu chuẩn tinh ở xa lớn hơn, với mục tiêu hạn chế lịch sử phát triển đồng tiến hóa của các lỗ đen và các thiên hà mẹ của chúng theo thời gian vũ trụ. Những quan sát này sẽ hạn chế các mô hình về sự đồng tiến hóa của các lỗ đen và các thiên hà chủ của chúng.

Đọc thêm về khám phá này tại Các nhà nghiên cứu Khám phá các thiên hà chủ chuẩn tinh trong vũ trụ sơ khai.

Tham khảo: “Phát hiện ánh sáng sao từ các thiên hà chủ quasar ở độ dịch chuyển đỏ cao hơn 6” của Shuheng Ding, Masafusa Onui, John D. Silverman, Yoshiki Matsuoka, Takuma Izumi, Michael A. Strauss, Knud Janke, Camryn L. Phillips, Junyao Li, Marta Voluntieri, Zoltan Heymann, Erham Tawfik Andika, Kentaro Aoki, Shunsuke Baba, Rebecca Perry, Sarah E. Bosman, Connor Bottrell, Anna-Kristina Ehlers, Seiji Fujimoto, Melanie Haposet, Masatoshi Imanishi, Kohei Inayoshi, Kazushi Iwasawa, Nobunari Kishikawa, Toshihiro. Kawaguchi, Kotaro Kohno, Shin-Hsiu Lee, Alessandro Lupi, Jianwei Liu, Toru Nagao, Roderick Overzer, Jan Torg Schindler, Malte Schramm, Kazuhiro Shimasako, Yoshiki Toba, Benny Trachtenbrot, Maxim Trebich, Tommaso Trieu, Hideki Umehata, Bram B. Vennemans, Marianne Vestergaard, Fabian Walter, Feig Wang và Jenny Yang, ngày 28 tháng 6 năm 2023, thiên nhiên.
doi: 10.1038/s41586-023-06345-5