Надмасивні чорні діри в центрах галактик не завжди проявляють себе як квазари. Значно частіше вони приймають вигляд блазарів. Нещодавно дослідження одного з таких об’єктів дозволило краще зрозуміти еволюцію раннього Всесвіту.
Активні галактичні ядра та еволюція Всесвіту
Астрономи відкрили важливу частину головоломки, як надмасивні чорні діри могли так швидко зростати в ранньому Всесвіті — особливий вид активного галактичного ядра, настільки далекого, що його світлу знадобилося понад 12,9 млрд років, щоб досягти нас. Цей так званий блазар слугує статистичним маркером: його існування передбачає наявність великої, але прихованої популяції подібних об’єктів, кожен з яких повинен випромінювати потужні струмені частинок.
Саме тут відкриття стає важливим для космічної еволюції: вважається, що чорні діри зі струменями здатні рости значно швидше, ніж без струменів. Результати дослідження подані у статті, опублікованій в журналі Nature Astronomy, і ще в одній статті — в The Astrophysical Journal Letters.
Активні галактичні ядра (AGN) — це надзвичайно яскраві центри галактик. Двигунами, що забезпечують їхню величезну енергію, є надмасивні чорні діри. Падіння матерії на такі чорні діри (акреція) є найефективнішим механізмом, відомим фізиці, коли йдеться про вивільнення величезної кількості енергії. Ця неперевершена ефективність є причиною того, що ЧД здатні виробляти більше світла, ніж усі зорі в сотнях, тисячах і навіть більше галактик разом узятих, і в об’ємі простору, меншому за нашу Сонячну систему.
Вважається, що щонайменше 10% усіх AGN випромінюють сфокусовані високоенергетичні пучки частинок, відомі як джети. Ці струмені вилітають із безпосередньої близькості до чорної діри у двох протилежних напрямках, підтримувані й скеровані магнітними полями в «акреційному диску» матерії — диску, утвореному газом, що закручується навколо чорної діри й падає в неї. Для того, щоб ми побачили ЧД як спалах, має статися щось дуже неймовірне: Земля, наша база спостережень, має бути у правильному місці, щоб струмінь AGN був спрямований прямо на нас.
Пошук активних галактичних ядер у дуже ранньому Всесвіті
Нове відкриття стало результатом систематичного пошуку активних галактичних ядер у ранньому Всесвіті, проведеного Едуардо Баньядосом, керівником групи в Інституті астрономії Макса Планка, який спеціалізується на першому мільярді років космічної історії, та міжнародною командою астрономів.
Оскільки світлу потрібен час, щоб досягти нас, ми бачимо віддалені об’єкти такими, якими вони були мільйони або навіть мільярди років тому. Для більш віддалених об’єктів так зване космологічне червоне зміщення, зумовлене розширенням космосу, зміщує їхнє світло на набагато більші довжини хвиль, ніж ті, на яких світло було випромінюване. Баньядос і його команда використовували цей факт, систематично шукаючи об’єкти, червоне зміщення яких було настільки значним, що вони навіть не були видимими у звичайному видимому світлі (у цьому випадку в межах дослідження спадщини темної енергії), але були яскравими джерелами в радіообстеженні (дослідження VLASS на частоті 3 ГГц).
Серед 20 кандидатів, які відповідали обом критеріям, лише один, J0410-0139, відповідав додатковому критерію — значні флуктуації яскравості в радіорежимі, що підвищувало ймовірність того, що це був блазар.
Потім дослідники копнули глибше, використовуючи надзвичайно велику батарею телескопів, включаючи спостереження у ближньому інфрачервоному діапазоні за допомогою Телескопа нових технологій ЄКА (NTT), спектр за допомогою Дуже великого телескопа ЄКА (VLT), додаткові спектри у ближньому інфрачервоному діапазоні за допомогою LBT, одного з телескопів Кека і телескопа Магеллана, рентгенівські зображення з космічних телескопів XMM-Newton ЄКА та NASA Chandra, спостереження у міліметровому діапазоні хвиль за допомогою решіток ALMA та NOEMA, а також детальніші радіоспостереження за допомогою телескопів VLA Національної радіоастрономічної обсерваторії США, щоб підтвердити статус об’єкта як AGN, а саме як блазара.
Спостереження також дали змогу визначити відстань до наднової (за червоним зміщенням) і навіть знайти сліди материнської галактики, в яку вбудована наднова. Світло від цього активного галактичного ядра йшло до нас 12,9 млрд років (z=6,9964), несучи інформацію про Всесвіт, яким він був 12,9 млрд років тому.
Там, де є один, є ще сто
За словами Баньядоса, той факт, що J0410-0139 є блазаром, тобто струменем, який випадково спрямований прямо на Землю, має негайні статистичні наслідки. Як аналогію з реального життя, уявіть, що ви читаєте про когось, хто виграв 100 млн доларів у лотерею. Враховуючи, наскільки рідкісним є такий виграш, ви можете одразу зробити висновок, що в цій лотереї брало участь набагато більше людей, які не виграли таку непомірну суму.
Аналогічно, знахідка однієї AGN зі струменем, спрямованим прямо на нас, означає, що в той період космічної історії мало б існувати багато AGN зі струменями, які не були спрямовані на нас.
За словами Сільвії Белладітти, співавторки цієї публікації, там, де є один, є ще сто.
Світлу від попереднього рекордсмена з найвіддаленішого спалаху знадобилося на 100 млн років менше, щоб досягти нас (z=6.1). Додаткові 100 млн років можуть здатися короткими у світлі того факту, що ми озираємося на більш ніж 12 млрд років назад, але вони мають вирішальне значення. Це час, коли Всесвіт швидко змінюється. За ці 100 млн років надмасивна чорна діра може збільшити свою масу на порядок.
Згідно з сучасними моделями, за ці 100 млн років кількість AGN мала б збільшитися в п’ять-десять разів. Виявлення того, що 12,8 млрд років тому такий блазар існував, не було б несподіванкою. Зовсім інша справа, якщо виявиться, що такий блазар існував 12,9 млрд років тому, як у цьому випадку.
Допомагаючи чорним дірам рости 12,9 млрд років тому
Наявність цілої популяції АGN зі струменями в той ранній період має важливе значення для космічної історії та зростання надмасивних чорних дір у центрах галактик загалом. Чорні діри, чиї AGN мають джети, потенційно можуть набирати масу швидше, ніж чорні діри без джетів.
Всупереч поширеній думці, газу важко потрапити в чорну діру. Природно, що газ рухається по орбіті навколо чорної діри, подібно до того, як планета обертається навколо Сонця, зі збільшенням швидкості, коли газ наближається до чорної діри. Для того, щоб впасти всередину, газ повинен сповільнитися і втратити енергію. Магнітні поля, пов’язані зі струменем частинок, які взаємодіють із вихровим диском газу, можуть забезпечити такий «гальмівний механізм» і допомогти газу впасти всередину.
Це означає, що наслідки нового відкриття, ймовірно, стануть будівельним блоком будь-якої майбутньої моделі зростання чорних дір у ранньому Всесвіті: вони передбачають існування великої кількості активних галактичних ядер 12,9 млрд років тому, які мали джети, а отже, і пов’язані з ними магнітні поля, що можуть допомагати чорним дірам рости зі значною швидкістю.
За матеріалами phys.org
