Найвіддаленіший виявлений квазар проливає світло на зростання чорних дір

Астрономи спостерігали світний квазар на відстані 13,03 мільярда світлових років від Землі -- найвіддаленіший із виявлених на сьогодні квазарів. Датований 670 мільйонами років після Великого вибуху, коли Всесвіту було лише 5% від свого теперішнього віку, у квазарі розміщена надмасивна чорна діра, еквівалентна загальній масі 1,6 мільярда сонць.

Про це розповідають в Арізонському університеті.

Окрім того, що об’єкт є найвіддаленішим -- і, відповідно, найранішим -- відомим квазаром, він є першим у своєму роді, який демонструє ознаки витікання вітру перегрітого газу з оточення чорної діри зі швидкістю в одну п’яту швидкості світла. На додаток до виявлення сильного вітру, керованого квазаром, нові спостереження також показують інтенсивну активність зореутворення у галактиці-господарі, в якій знаходиться квазар, офіційно позначений як J0313-1806.

Дослідники представлять свої результати, які були прийняті до публікації в журналі "Astrophysical Journal Letters", під час прес-конференції та наукової доповіді на 237-му засіданні Американського астрономічного товариства, яке фактично проходить 11-15 січня.

Попередній рекордсмен серед квазарів у Всесвіті-дитині був виявлений три роки тому.

Вважається, що квазари виникають внаслідок поглинання надмасивними чорними дірами навколишньої речовини, такої як газ або навіть цілі зірки, що призводить до вихору перегрітої речовини, відомого як акреційний диск, який кружляє навколо чорної діри. Завдяки задіянню величезної енергії, квазари є одними з найяскравіших джерел у космосі, часто затьмарюючи свої галактики.

Не зважаючи на те, що J0313-1806 знаходиться лише на 20 мільйонів світлових років далі від попереднього рекордсмена, новий квазар містить вдвічі важчу надмасивну чорну діру. Це знаменує собою значний прогрес в космології, оскільки він забезпечує найсильніше обмеження щодо утворення чорних дір у ранньому Всесвіті.

"Це найраніше свідчення впливу надмасивної чорної діри на галактику, що її оточує", - заявив провідний автор майбутньої публікації Фейг Ванг, стипендіат програми Хаббл від НАСА (2019) з Обсерваторії Стюарда в Арізонському університеті. "Зі спостережень за менш віддаленими галактиками ми знаємо, що це має статися, але ми ніколи не бачили, щоб це відбувалося так рано у Всесвіті".

Квазари, які вже накопичили мільйони, якщо не мільярди, сонячних мас у своїх чорних дірах у той час, коли Всесвіт був дуже молодим, кидають виклик вченим, які намагаються пояснити, як вони виникли, коли у них ледь вистачило часу це зробити. Загальноприйняте пояснення утворення чорної діри -- це вибух зірки в кінці свого життя як наднової і колапсування в чорну діру. Коли такі чорні діри з часом зливаються, вони можуть -- теоретично -- перерости в надмасивні чорні діри. Однак, подібно до того, що потрібно багато життів для накопичення пенсійного фонду, вкладаючи щороку лише по одному долару, квазари у ранньому Всесвіті дещо нагадують маленьких мільйонерів; вони, мабуть, набули свою масу іншими способами.

Нещодавно виявлений квазар являє собою новий еталон, виключаючи дві нинішні моделі того, як утворюються надмасивні чорні діри за такі короткі терміни. У першій моделі масивні зірки, що складаються здебільшого з водню і не мають більшості інших елементів, що утворюють пізніші зірки, у тому числі метали, утворюють перше покоління зірок у молодій галактиці та забезпечують їжею нову чорну діру. Друга модель залучає щільні зоряні скупчення, які з самого початку колапсують у масивну чорну діру.

Однак квазар J0313-1806 може похвалитися чорною дірою, яка занадто масивна, щоб її можна було пояснити вищевказаними сценаріями, на думку команди, яка виявила квазар. Команда підрахувала, що якби чорна діра в його центрі утворилася вже через 100 мільйонів років після Великого вибуху і зростала якомога швидше, для початку вона все одно мала б мати не менше 10 000 сонячних мас.

"Це говорить вам, що незалежно від того, що б ви не робили, насіння цієї чорної діри мало б сформуватися за допомогою іншого механізму", - сказав співавтор Сяохуей Фан, професор-регент та доцент кафедри астрономії Арізонського університету. "У даному випадку це той механізм, що включає величезну кількість первинного, холодного газу водню, який безпосередньо колапсує у чорну діру".

Оскільки цей механізм не вимагає повноцінних зірок у якості сировини, він єдиний, що дозволить надмасивній чорній дірі квазара J0313-1806 зрости до 1,6 млрд сонячних мас у такий ранній період існування Всесвіту. Саме це робить новий рекордний квазар таким цінним, пояснив Фан.

Новини за подібною темою:

		У ранньому Всесвіті знайдено чорну діру, що поглинає матерію набагато швидше, ніж теоретично можливо
		Астрономи виявили стародавні самотні квазари з незрозумілим походженням
		Чорна діра знищує зорю та вже взялася за іншу

"Як тільки ви перейдете до нижчих червоних зміщень, усі моделі могли б пояснити існування цих менш віддалених і менш масивних квазарів", - сказав він. "Щоб чорна діра виросла до розміру, який ми бачимо з J0313-1806, їй потрібно було б розпочати з насіння чорної діри із щонайменше 10 000 сонячними масами, а це було б можливим лише за сценарієм прямого колапсу."

Нещодавно виявлений квазар пропонує рідкісний погляд на життя галактики на початку Всесвіту, коли багато галактикоутворюючих процесів, які з тих пір сповільнилися або припинилися в галактиках і які тривали навкруги набагато довше, все ще були у повному розпалі.

Згідно із сучасними моделями еволюції галактик, надмасивні чорні діри, що ростуть у їх центрах, можуть бути головною причиною того, чому галактики в кінцевому підсумку перестають створювати нові зірки. Поводячись як паяльна лампа космічних масштабів, квазари люто випалюють своє оточення, ефективно очищуючи свою галактику-господаря від більшої частини холодного газу, який служить сировиною для зореутворення.

"Ми вважаємо, що саме надмасивні чорні діри стали причиною того, що багато великих галактик в якийсь момент перестали утворювати зірки", - сказав Фан. "Ми спостерігаємо це "гасіння" у нижчих червоних зміщеннях, але до цього часу ми не знали, наскільки рано цей процес розпочався в історії Всесвіту. Цей квазар є найдавнішим свідченням того, що гасіння могло відбуватися в дуже ранні часи".

Вимірюючи світність квазара, команда Ванга підрахувала, що надмасивна чорна діра в його центрі щороку поглинає масовий еквівалент 25 сонць, що, як вважають, є основною причиною його високошвидкісного гарячого плазмового вітру, що дме в галактику навколо нього з релятивістською швидкістю. Для порівняння, чорна діра в центрі Чумацького Шляху стала переважно сплячою.

І хоча Чумацький Шлях утворює зірки у неспішному темпі близько однієї сонячної маси щороку, J0313-1806 видає 200 сонячних мас за той самий проміжок часу.

"Це відносно висока швидкість утворення зірок, подібна до тієї, що спостерігається в інших квазарах подібного віку, і це говорить нам про те, що галактика-господар зростає дуже швидко", - сказав Ван.

"Ці квазари, мабуть, все ще перебувають у процесі створення своїх надмасивних чорних дір", - додав Фан. "З часом відтік квазара нагрівається і витісняє весь газ з галактики, і тоді чорна діра вже не має що їсти і перестане рости. Це свідчення того, як ростуть ці найранніші масивні галактики та їх квазари".

Дослідники розраховують знайти ще кілька квазарів того самого періоду часу, включаючи потенційних нових рекордсменів, сказав Джиньі Ян, другий автор звіту і стипендіат Пітера А. Стрітматтера в Обсерваторії Стюарда. Ян і Фан проводили спостереження на 6,5-метровому телескопі Магеллана Бааде в обсерваторії Лас-Кампанас в Чилі в ніч, коли було виявлено J0313-1806.

"Наше дослідження квазарів охоплює дуже широке поле, що дозволяє нам сканувати майже половину неба", - каже Ян. "Ми відібрали більше кандидатів, за якими будемо продовжувати більш детальні спостереження".

Дослідники сподіваються розкрити більше таємниць квазара в подальших спостереженнях, особливо за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба, який планують запустити в 2021 році.

"За допомогою наземних телескопів ми можемо бачити лише точкове джерело", - каже Ван. "Подальші спостереження могли б дозволити більш детально вирішити квазар, показати структуру його відтоку і те, наскільки далеко вітер поширюється в його галактику, і це дало б нам набагато краще уявлення про етап його еволюції".

Читайте ще цікаві новини про космос.

• Чорні діри
• Квазари