Самый ранний из известных квазаров объясняет существование гигантских черных дыр

Фото из открытых источников

Астрономы обнаружили самый ранний из известных мерцающих квазаров, свет от которого преодолел более 13 миллиардов лет, чтобы достичь нас. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Это может помочь понять, как некоторые из крупнейших черных дыр во Вселенной неожиданно достигли таких чудовищных размеров на столь ранних этапах космической истории.

Удивительно, но этот древний квазар, обозначенный как J0439+1634, имеет, по-видимому, блинообразный аккреционный диск из вещества, закручивающийся в его огромную пасть, что позволяет предположить, что он загадочным образом достиг зрелости для своего возраста.

«Это дает прямые доказательства того, что те же процессы питания и структуры, которые наблюдаются в ближней Вселенной, существовали уже на очень ранних этапах, несмотря на совершенно иную космическую среду», — говорит Анна-Кристина Эйлерс из Массачусетского технологического института. «Такого раньше никогда не видели».

Квазары — это яркие активные ядра галактик, питаемые сверхмассивными черными дырами (СМЧД). Квазары — одни из самых ярких и энергичных объектов в космосе, их сияние превосходит по яркости целые галактики, содержащие триллионы солнц.

Известно, что расположенные поблизости квазары мерцают, поскольку вещество неравномерно падает в их центральные черные дыры.

«Мерцание возникает из-за колебаний в способе подачи газа в черную дыру», — объясняет Джин Люн из Массачусетского технологического института. «А то, как мерцает квазар, говорит нам кое-что о структуре аккреционного диска черной дыры и о том, какие „куски“ поглощает черная дыра».

Однако обнаружить подобные мерцания в ранней Вселенной крайне сложно.

В своем новом исследовании международная группа астрономов под руководством Массачусетского технологического института описала самый ранний объект этого типа.

Исследователи наблюдали за этим квазаром, «мерцающим» перед нами на огромном участке пространства-времени, таким, каким он выглядел, когда Вселенной было всего 850 миллионов лет, в период бурного звездообразования, называемый космическим рассветом.

«Хотя в космическом зарождении было обнаружено множество квазаров, это первый раз, когда мы видим, как один из них мерцает», — говорит Люн.

Обнаружение и характеристика этого мерцания, происходящего с «противоположной стороны» космоса, представляли собой невероятно сложную задачу.

По мере расширения Вселенной свет, достигающий наших телескопов, растягивается, превращаясь в более длинные, красные волны, в результате процесса, известного как красное смещение.

Подобный эффект может наблюдаться и в случае, когда звук сирены приближающейся машины скорой помощи сначала кажется выше, а затем понижается по мере удаления от вас.

А поскольку пространство и время неразрывно связаны, растяжение космической ткани также влияет на время.

С точки зрения наблюдателя, находящегося в миллиардах световых лет от Земли, мерцание, длящееся несколько недель, может казаться продолжающимся в течение нескольких месяцев.

Для обнаружения сигнала астрономы использовали многоволновые данные с наземных и космических обсерваторий, включая проект НАСА NEOWISE (Near-Earth Object Wide-field Infrared Survey), в рамках которого с 2010 по 2024 год была создана покадровая съемка всего ночного неба в инфракрасном диапазоне.

«Мы наблюдали, как квазар беспорядочно мерцал в течение 14 лет, подобно тому, как пламя свечи мерцает без определенной закономерности», — объясняет Люн.

Отслеживая поток излучения в различных диапазонах длин волн, включая инфракрасное и рентгеновское излучение, астрономы оценили массу этого древнего квазара более чем в 600 миллионов солнечных масс.

Наша местная сверхмассивная черная дыра, Стрелец A*, расположенная в самом сердце Млечного пути, относительно невелика, ее масса составляет около 4 миллионов солнечных масс.

Объект J0439+1634 также невероятно яркий, светящийся с яркостью 12 триллионов Солнц.

Отслеживание потока вещества, позволяющее определить температуру и близость материала, падающего в черную дыру, также позволило астрономам составить карту ее аккреционного диска.

Любопытно, что они обнаружили, что она была плоской и относительно упорядоченной, хотя считается, что ранние сверхмассивные черные дыры имеют незрелые, хаотично «раздутые» диски, которые еще не стабилизировались.

Соответственно, квазары в ближней Вселенной имеют более мелкие и аккуратные аккреционные диски и короны, поскольку они более зрелые.

«Я думаю, это говорит о том, что все эти сложные, очень быстрые фазы роста, через которые, как мы ожидаем, проходят все черные дыры в какой-то момент, происходят очень и очень рано, до того, как мы увидим их в виде этих очень ярких светящихся квазаров», — говорит Эйлерс.

Эта работа также предлагает новые методы измерения массы некоторых из старейших квазаров и позволяет определить размеры зародышей черных дыр, необходимых для образования сверхмассивных черных дыр с массой в миллиарды солнечных масс, когда Вселенная была всего лишь около 10 процентов от своего нынешнего возраста.

Теперь исследователи надеются обнаружить еще более ранние квазары, чтобы лучше изучить их рост и влияние на эволюцию галактики.

К счастью, это исследование закладывает основу (и создает космическую базу) для их обнаружения с помощью средств следующего поколения, включая недавно открытую обсерваторию имени Веры К. Рубин в Чили и космический телескоп имени Нэнси Грейс Роман, запуск которого запланирован на август.

Будущее исследований квазаров на заре космической цивилизации выглядит в прямом и переносном смысле блестящим – даже если изучаемый свет начал свой путь более 13 миллиардов лет назад.