Сверхмассивные черные дыры в центрах галактик не всегда проявляют себя как квазары. Значительно чаще они принимают вид блазаров. Недавно исследование одного из таких объектов позволило лучше понять эволюцию ранней Вселенной.
Активные галактические ядра и эволюция Вселенной
Астрономы открыли важную часть головоломки, как сверхмассивные черные дыры могли так быстро расти в ранней Вселенной — особый вид активного галактического ядра, настолько далекого, что его свету понадобилось более 12,9 млрд лет, чтобы достичь нас. Этот так называемый блазар служит статистическим маркером: его существование предполагает наличие большой, но скрытой популяции подобных объектов, каждый из которых должен излучать мощные струи частиц.
Именно здесь открытие становится важным для космической эволюции: считается, что черные дыры со струями способны расти значительно быстрее, чем без струй. Результаты исследования поданы в статье, опубликованной в журнале Nature Astronomy, и еще в одной статье — в The Astrophysical Journal Letters.
Активные галактические ядра (AGN) — это чрезвычайно яркие центры галактик. Двигателями, обеспечивающими их огромную энергию, являются сверхмассивные черные дыры. Падение материи на такие черные дыры (аккреция) является самым эффективным механизмом, известным физике, когда речь идет о высвобождении огромного количества энергии. Эта непревзойденная эффективность является причиной того, что ЧД способны производить больше света, чем все звезды в сотнях, тысячах и даже больше галактик вместе взятых, и в объеме пространства, меньшем нашей Солнечной системы.
Считается, что по меньшей мере 10% всех AGN излучают сфокусированные высокоэнергетические пучки частиц, известные как джеты. Эти струи вылетают из непосредственной близости к черной дыре в двух противоположных направлениях, поддерживаемые и направляемые магнитными полями в «аккреционном диске» материи — диске, образованном газом, который закручивается вокруг черной дыры и падает в нее. Для того, чтобы мы увидели ЧД как вспышку, должно произойти что-то очень невероятное: Земля, наша база наблюдений, должна быть в правильном месте, чтобы струя AGN была направлена прямо на нас.
Поиск активных галактических ядер в очень ранней Вселенной
Новое открытие стало результатом систематического поиска активных галактических ядер в ранней Вселенной, проведенного Эдуардо Баньядосом, руководителем группы в Институте астрономии Макса Планка, который специализируется на первом миллиарде лет космической истории, и международной командой астрономов.
Поскольку свету требуется время, чтобы достичь нас, мы видим отдаленные объекты такими, какими они были миллионы или даже миллиарды лет назад. Для более удаленных объектов так называемое космологическое красное смещение, обусловленное расширением космоса, смещает их свет на гораздо большие длины волн, чем те, на которых свет был излучен. Баньядос и его команда использовали этот факт, систематически ища объекты, красное смещение которых было настолько значительным, что они даже не были видимыми в обычном видимом свете (в этом случае в рамках исследования наследия темной энергии), но были яркими источниками в радиообследовании (исследование VLASS на частоте 3 ГГц).
Среди 20 кандидатов, которые соответствовали обоим критериям, только один, J0410-0139, соответствовал дополнительному критерию — значительные флуктуации яркости в радиорежиме, что повышало вероятность того, что это был блазар.
Затем исследователи копнули глубже, используя чрезвычайно большую батарею телескопов, включая наблюдения в ближнем инфракрасном диапазоне с помощью Телескопа новых технологий ЕКА (NTT), спектр с помощью Очень большого телескопа ЕКА (VLT), дополнительные спектры в ближнем инфракрасном диапазоне с помощью LBT, одного из телескопов Кека и телескопа Магеллана, рентгеновские изображения с космических телескопов XMM-Newton ЕКА и NASA Chandra, наблюдения в миллиметровом диапазоне волн с помощью решеток ALMA и NOEMA, а также более детальные радионаблюдения с помощью телескопов VLA Национальной радиоастрономической обсерватории США, чтобы подтвердить статус объекта как AGN, а именно как блазара.
Наблюдения также позволили определить расстояние до сверхновой (по красному смещению) и даже найти следы материнской галактики, в которую встроена сверхновая. Свет от этого активного галактического ядра шел к нам 12,9 млрд лет (z=6,9964), неся информацию о Вселенной, какой она была 12,9 млрд лет назад.
Там, где есть один, есть еще сто
По словам Баньядоса, тот факт, что J0410-0139 является блазаром, то есть струей, которая случайно направлена прямо на Землю, имеет немедленные статистические последствия. В качестве аналогии из реальной жизни, представьте, что вы читаете о ком-то, кто выиграл 100 млн долларов в лотерею. Учитывая, насколько редким является такой выигрыш, вы можете сразу сделать вывод, что в этой лотерее участвовало гораздо больше людей, которые не выиграли такую непомерную сумму.
Аналогично, находка одной AGN со струей, направленной прямо на нас, означает, что в тот период космической истории должно было существовать много AGN со струями, которые не были направлены на нас.
По словам Сильвии Белладитты, соавтора этой публикации, там, где есть один, есть еще сто.
Свету от предыдущего рекордсмена по самой отдаленной вспышке понадобилось на 100 млн лет меньше, чтобы достичь нас (z=6.1). Дополнительные 100 млн лет могут показаться короткими в свете того факта, что мы оглядываемся на более чем 12 млрд лет назад, но они имеют решающее значение. Это время, когда Вселенная быстро меняется. За эти 100 млн лет сверхмассивная черная дыра может увеличить свою массу на порядок.
Согласно современным моделям, за эти 100 миллионов лет количество AGN должно было бы увеличиться в пять-десять раз. Обнаружение того, что 12,8 млрд лет назад такой блазар существовал, не было бы неожиданностью. Совсем другое дело, если окажется, что такой блазар существовал 12,9 млрд лет назад, как в данном случае.
Помогая черным дырам расти 12,9 млрд лет назад
Наличие целой популяции АԌN со струями в тот ранний период имеет важное значение для космической истории и роста сверхмассивных черных дыр в центрах галактик в целом. Черные дыры, чьи AGN имеют джеты, потенциально могут набирать массу быстрее, чем черные дыры без джетов.
Вопреки распространенному мнению, газу трудно попасть в черную дыру. Естественно, что газ движется по орбите вокруг черной дыры, подобно тому, как планета вращается вокруг Солнца, с увеличением скорости, когда газ приближается к черной дыре. Для того, чтобы упасть внутрь, газ должен замедлиться и потерять энергию. Магнитные поля, связанные со струей частиц, которые взаимодействуют с вихревым диском газа, могут обеспечить такой «тормозной механизм» и помочь газу упасть внутрь.
Это означает, что последствия нового открытия, вероятно, станут строительным блоком любой будущей модели роста черных дыр в ранней Вселенной: они предполагают существование большого количества активных галактических ядер 12,9 млрд лет назад, которые имели джеты, а следовательно, и связанные с ними магнитные поля, которые могут помогать черным дырам расти со значительной скоростью.
По материалам phys.org
