Пылающий поток уменьшил массу самого яркого квазара во Вселенной в 10 раз

Фото из открытых источников

Чтобы заглянуть в ранние годы Вселенной, учёным приходится делать множество предположений. Но иногда у нас появляются более совершенные инструменты, которые позволяют им либо подтвердить, либо опровергнуть эти предположения.

Недавно это произошло, когда ученые изучали J0529 — сверхмассивную черную дыру, которая в настоящее время является самым ярким известным квазаром во Вселенной.

В новой статье большой группы исследователей был использован инструмент GRAVITY+ на интерферометре Очень Большого Телескопа (VLT) Европейской Южной Обсерватории (ESO) для составления карты области широких линий (BLR) этого уникального объекта и, таким образом, была рассчитана новая, обновленная масса, которая в 10 раз меньше предыдущих оценок.

Для сравнения: эта масса всё ещё в 800 миллионов раз превышает массу нашего Солнца. Но почему такая огромная разница между первоначальной оценкой в 10 миллиардов солнечных масс и новой?

Более совершенная технология, в данном случае интерферометр VLT, опровергла распространенное предположение, сделанное первоначальной исследовательской группой, обнаружившей J0529, и это имеет более серьезные последствия для нашего понимания размеров черных дыр, особенно на ранних этапах развития Вселенной.

Раньше стандартным способом расчета массы черной дыры было ее приблизительное вычисление путем взятия квадрата орбитальной скорости аккреционного диска, окружающего черную дыру, и умножения ее на расстояние до черной дыры.

Когда в 2024 году была обнаружена J0529, исследователи знали расстояние до неё — около 12,5 миллиардов световых лет, когда самой Вселенной было всего 1,5 миллиарда лет. И они полагали, что смогут измерить орбитальную скорость аккреционного диска, измерив ширину его эмиссионных линий.

Эмиссионные линии представляют собой спектральный сигнал, исходящий от света, излучаемого перегретым газом и пылью в аккреционном диске.

Стандартный расчёт их орбитальной скорости основан на фундаментальном предположении, что чем «шире» линия излучения, тем быстрее движется газ по орбите. Она будет широкой, поскольку будет отражать вещество, движущееся как к нам (сине-смещение), так и от нас (красное смещение).

Чем быстрее он движется, тем сильнее смещаются линии, отсюда и более «широкий» профиль в данных. Поскольку у J0529 была чрезвычайно широкая линия излучения, предполагалось, что газ должен двигаться быстро, а значит, сверхмассивная чёрная дыра в его центре должна быть необычайно большой, чтобы газ двигался так быстро.

Используя инструмент GRAVITY+, который действует как интерферометр и значительно увеличивает наблюдательную мощность VLT, объединяя свет от всех четырех 8-метровых телескопов в один «виртуальный», исследователи смогли напрямую увидеть область широких линий (BLR) вокруг J0529 — область облаков, вращающихся вокруг сверхмассивной черной дыры.

На этом изображении они увидели мощный газовый поток, вырывающийся из чёрной дыры со скоростью 10 000 км/с. Это может показаться нелогичным, поскольку принято считать, что чёрные дыры поглощают всё вокруг себя, и ничто не может вырваться из них.

Однако их гравитационное притяжение может вызвать масштабные нарушения в материале аккреционного диска, так что, прежде чем материал успеет достичь горизонта событий черной дыры, он будет выброшен с ошеломляющей скоростью.

А поскольку скорость вращения аккреционного диска вокруг черной дыры является основным компонентом при расчете ее массы, такие струи также могут исказить измерения массы их материнской черной дыры.

Именно это и произошло в случае J0529. Струя со скоростью 10 000 км/с значительно расширила спектральные линии, которые изучали первоначальные исследователи, и они предположили, что чрезвычайно широкие линии, исходящие от J0529, вызваны экстремальными орбитальными скоростями, а не оттоками, не имеющими отношения к массе чёрной дыры.

После пространственного наблюдения за оттоками исследователи смогли вычесть их значение из спектральных линий и пересчитать массу J0529, что дало результат, составляющий всего около 10% от первоначальной оценки. Но, опять же, для сравнения, J0529 всё ещё в 800 миллионов раз больше нашего Солнца.

Исследование также предоставляет некоторые дополнительные доказательства для решения некоторых сложных проблем астрофизики, например, того, как сверхмассивные черные дыры могут вырасти до размеров, в миллиарды раз превышающих размеры Солнца, всего за несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.

Яркие струи, выбрасываемые J0529, подпитываются процессом, называемым суперэддингтоновской аккрецией, при котором объект превышает свой «предел Эддингтона» — максимальную яркость, с которой объект может светить, учитывая его массу, которая не способна сдуть материал, заставляющий его расти.

Черная дыра может за определенный период времени превзойти свой предел Эддингтона, но при этом в долгосрочной перспективе она потеряет часть своего общего размера, поскольку материал, который в противном случае вносил бы вклад в ее массу, будет сдут давлением ее собственного света.

Те же самые струи, которые выбрасываются подобным образом, могут оказывать значительное влияние на формирование галактик, поскольку они могут останавливать звездообразование на своем пути, а также рассеивать материал в другие галактики за пределами той, которая создала струю.

С появлением более мощных телескопов можно будет получить еще более подробную картину того, что происходит в этих далеких галактиках.

И стоит надеемся, что эти фотографии позволят не только проверить предположения о том, что мы знаем о Вселенной, но и дадут новое представление о том, что мы могли бы там обнаружить.

Вот почему цикл технологического прогресса, способствующий научным открытиям, настолько силен.