В ранней Вселенной нашли радиогалактику рекордной мощности

Когда Вселенной не исполнилось и 1,2 миллиарда лет, в одной из ее галактик уже работал чрезвычайно мощный источник радиоволн. Астрономы подтвердили существование TXS 2354+015 — далекой радиогалактики, чье излучение, по предварительным расчетам, превосходит показатели других известных объектов этого класса. Ее свет шел к нам примерно 12,5 миллиарда лет. Открытие ставит вопрос: как настолько энергичные галактические ядра успели сформироваться столь рано?

Радиогалактика — не просто галактика, хорошо видимая в радиотелескоп. В ее центре находится активное ядро, которое питается веществом, падающим к сверхмассивной черной дыре. Газ образует горячий аккреционный поток, а магнитные поля могут направлять часть вещества в струи, движущиеся почти со скоростью света. Такие струи называют релятивистскими джетами. Радиоволны возникают благодаря заряженным частицам, движущимся в магнитных полях выбросов.

Энергия джетов влияет на всю галактику. Они нагревают окружающий газ, создают ударные волны и меняют условия, при которых рождаются звезды. Это называют обратной связью активного галактического ядра. Без учета такого воздействия компьютерные модели не могут точно воспроизвести некоторые свойства галактик. Особенно важно выяснить, насколько рано появились мощные источники подобного рода.

Найти их непросто. Молодые галактики нередко окружены газом и пылью, скрывающими центральные области в видимом и ультрафиолетовом свете. Радиоизлучение джетов может проходить через эту завесу, однако установить расстояние до источника трудно. Для этого нужен оптический спектр с узнаваемыми линиями, а сам объект может быть чрезвычайно тусклым.

Традиционно астрономы отбирали далекие радиогалактики по необычно крутому радиоспектру: их излучение резко ослабевает с увеличением частоты. Метод полезен, но не универсален. Если далекое активное ядро имеет иной спектр, оно может остаться вне списка кандидатов. Поэтому исследователи во главе с Барбарой Бальмаверде из Туринской астрофизической обсерватории совместили радиообзоры с глубокими оптическими изображениями.

Они использовали данные японского телескопа Subaru с камерой Hyper Suprime-Cam и радиокаталоги TGSS и VLASS. Ключом стал разрыв Лаймана — резкое ослабление света на определенных длинах волн. Ультрафиолетовое излучение далеких галактик поглощается нейтральным водородом на пути к Земле. Из-за расширения Вселенной этот провал смещается в наблюдаемую оптическую область и помогает выделять очень далекие объекты.

Так астрономы обратили внимание на TXS 2354+015. В спектре обнаружилась выраженная линия излучения водорода Лайман-альфа, а вторая, более слабая линия помогла подтвердить результат. Красное смещение составило z = 4,946. Оно показывает, насколько растянулись световые волны за время путешествия через расширяющуюся Вселенную. Мы видим галактику в эпоху, когда возраст космоса составлял менее 1,2 миллиарда лет.

Исследователи проверили вероятность случайного совпадения разных объектов на небе. Положения оптического и радиоисточника согласовались, а радиояркость и соотношение излучения в разных диапазонах поддержали вывод, что речь идет об одной галактике. По оценке авторов, TXS 2354+015 относится к числу самых удаленных подтвержденных радиогалактик.

Главная неожиданность проявилась при оценке мощности. С учетом расстояния и спектральных характеристик исследователи рассчитали собственную радиосветимость на частоте 500 мегагерц. По этому показателю TXS 2354+015 может превосходить ранее известные радиогалактики с большим красным смещением и претендовать на рекорд. Но это не делает ее самым ярким объектом Вселенной во всех диапазонах: речь о конкретной характеристике радиоизлучения и сравнении с доступными наблюдениями.

Авторы также получили предварительную оценку массы звездного населения галактики — порядка двух триллионов солнечных масс. Столь большая величина для ранней эпохи необычна, но команда подчеркивает значительную неопределенность расчета. Результат сильно зависит от предполагаемого возраста звезд и модели их излучения. Поэтому считать эту цифру установленной массой галактики нельзя.

Не менее важно, почему источник нашли именно сейчас. Его радиоспектр не удовлетворяет обычному критерию сверхкрутого спектра, применяемому при поиске подобных объектов. Значит, традиционные каталоги могут пропускать часть мощных радиогалактик ранней Вселенной. Совмещение глубоких оптических обзоров с радионаблюдениями помогает обнаруживать источники, скрытые от привычных методов отбора.

Работа пока представлена как препринт и требует дальнейшей проверки. Новые наблюдения помогут уточнить мощность джетов, свойства звезд и окружающего газа. Но уже сейчас TXS 2354+015 показывает, что вскоре после Большого взрыва существовали галактики с исключительно энергичными центральными двигателями. Возможно, важные свидетельства их ранней эволюции скрываются среди радиоисточников, которые прежние методы поиска обходили стороной.