Самый далекий обнаруженный квазар проливает свет на рост черных дыр

Помимо того, что это самый далекий и, соответственно, самый ранний из известных квазаров, этот объект является первым, демонстрирующим свидетельства истекающего ветра перегретого газа, выходящего из окрестностей черной дыры на пятой части скорости света. В дополнение к выявлению сильного ветра, вызываемого квазаром, новые наблюдения также показывают интенсивную активность звездообразования в галактике, где расположен квазар, формально обозначенный как J0313-1806.

Предыдущий рекордсмен среди квазаров молодой Вселенной был открыт 3 года назад. Команда Университета Аризоны также внесла свой вклад в это открытие. Считается, что квазары возникают в результате поглощения сверхмассивными черными дырами окружающей материи, такой как газ или даже целые звезды, в результате чего возникает водоворот перегретой материи, аккреционный диск, который вращается вокруг черной дыры. Из-за огромных энергий квазары являются одними из самых ярких источников в космосе, часто превосходя их родительские галактики.

Хотя J0313-1806 находится всего на 20 миллионов световых лет дальше, чем предыдущий рекордсмен, новый квазар содержит сверхмассивную черную дыру в 2 раза тяжелее. Это знаменует собой значительный прогресс космологии, поскольку обеспечивает самое сильное ограничение на образование черных дыр в ранней Вселенной.

«Это самое раннее свидетельство того, как сверхмассивная черная дыра влияет на галактику вокруг нее», - сказал ведущий автор статьи Фейдж Ван. «Из наблюдений за менее далекими галактиками мы знаем, что должно произойти, но мы никогда не видели, чтобы это происходило так рано во Вселенной».

Квазары, которые уже накопили миллионы, если не миллиарды солнечных масс в черных дырах в то время, когда Вселенная была еще очень молодой, представляют собой проблему для ученых, пытающихся объяснить, как они возникли, когда у них едва было на это время. Общепринятое объяснение образования черной дыры включает в себя взрыв звезды как сверхновой и коллапс в черную дыру. Когда такие черные дыры со временем сливаются, они теоретически могут вырасти в сверхмассивные черные дыры. Тем не менее, как и для создания пенсионного фонда за счет ежегодного вклада рубля каждый год, квазары в ранней Вселенной чем-то похожи на маленьких миллионеров, поэтому они должны были получить свою массу другими способами.

Недавно обнаруженный квазар стал новым эталоном, исключив две текущие модели образования сверхмассивных черных дыр за такие короткие сроки. В первой модели массивные звезды, состоящие в основном из водорода и лишенные большинства других элементов, составляющих более поздние звезды, включая металлы, образуют первое поколение звезд в молодой галактике и обеспечивают пищу зарождающейся черной дыре. Вторая модель включает в себя плотные звездные скопления, которые с самого начала коллапсируют в массивную черную дыру.

Квазар J0313-1806 может похвастаться черной дырой, слишком массивной, чтобы ее можно было объяснить вышеупомянутыми сценариями, по словам обнаружившей ее команды. Команда подсчитала, что если бы черная дыра образовалась уже через 100 миллионов лет после Большого взрыва и росла с максимально возможной скоростью, она должна была бы иметь как минимум 10 000 солнечных масс.

«Это говорит вам о том, что семя этой черной дыры должно было образоваться с помощью другого механизма», - сказал соавтор Сяохуэй Фань. «В данном случае речь идет о том, что огромное количество первичного холодного газообразного водорода прямо коллапсирует в зародыш черной дыры».

Поскольку для этого механизма не требуются полноценные звезды в качестве исходного материала, это единственный механизм, который позволил бы сверхмассивной черной дыре квазара J0313-1806 вырасти до 1,6 миллиарда солнечных масс на столь раннем этапе существования Вселенной. Это то, что делает новый рекордный квазар таким ценным, объяснил Фан.

«Если перейти к более низким красным смещениям, все модели смогут объяснить существование этих менее далеких и менее массивных квазаров», - сказал он. «Чтобы черная дыра выросла до размеров, которые мы видим в J0313-1806, она должна была начаться с зародыша черной дыры с массой не менее 10 000 солнечных масс, и это было бы возможно только в сценарии прямого коллапса».

Недавно обнаруженный квазар дает редкую возможность заглянуть в жизнь галактики на заре Вселенной, когда многие процессы формирования галактик, которые с тех пор замедлились или прекратились в галактиках, которые существовали гораздо дольше, все еще были в полном разгаре.

Согласно нынешним моделям эволюции галактик, сверхмассивные черные дыры, растущие в их центрах, могут быть основной причиной, по которой галактики в конечном итоге перестают производить новые звезды. Действуя как паяльная лампа космических размеров, квазары яростно взрывают свое окружение, эффективно очищая свою галактику от большей части холодного газа, который служит сырьем для образования звезд.

«Мы думаем, что эти сверхмассивные черные дыры были причиной того, что многие из больших галактик в какой-то момент перестали образовывать звезды», - сказал Фан. «Мы наблюдаем это «гашение» при более низких красных смещениях, но до сих пор мы не знали, насколько рано этот процесс начался в истории Вселенной. Этот квазар является самым ранним свидетельством того, что гашение могло происходить в очень ранние времена».

Измеряя светимость квазара, команда Вана подсчитала, что сверхмассивная черная дыра в его центре поглощает в среднем 25 Солнц в год по массе, что считается основной причиной того, что его высокоскоростной горячий плазменный ветер дует в галактику с релятивистской скоростью. Для сравнения, черная дыра в центре Млечного Пути в основном бездействует.

И в то время как Млечный Путь формирует звезды с неторопливой скоростью около одной солнечной массы каждый год, J0313-1806 производит 200 солнечных масс за тот же период времени.

«Это относительно высокая скорость звездообразования, аналогичная той, что наблюдается в других квазарах того же возраста, и это говорит о том, что родительская галактика растет очень быстро», - сказал Ван.

«Эти квазары, по-видимому, все еще находятся в процессе создания сверхмассивных черных дыр», - добавил Фан. «Со временем квазар нагревается и выталкивает весь газ из галактики, и тогда черной дыре больше нечего есть, она перестанет расти. Это свидетельство того, как растут самые ранние массивные галактики и их квазары».

Исследователи ожидают найти еще несколько квазаров того же периода времени, в том числе потенциальных новых рекордсменов. Ян и Фань наблюдали на 6,5-метровом телескопе Magellan Baade в обсерватории Лас-Кампанас в Чили в ночь открытия J0313-1806.

«Наш обзор квазаров охватывает очень широкое поле, позволяя сканировать почти половину неба», - сказал Ян. «Мы отобрали кандидатов, по которым продолжим более подробные наблюдения».

Исследователи надеются узнать больше о секретах квазара в ходе будущих наблюдений, особенно с помощью космического телескопа НАСА Джеймса Уэбба, запуск которого запланирован на 2021 год.

«С помощью наземных телескопов мы можем видеть только точечный источник», - сказал Ван. «Будущие наблюдения позволят более детально рассмотреть квазар, показать структуру его истечения и то, как далеко распространяется ветер в галактику, и это дало бы нам гораздо лучшее представление о его эволюционной стадии».