Самый отдаленный обнаруженный квазар проливает свет на рост черных дыр

Астрономы наблюдали светящийся квазар на расстоянии 13,03 миллиарда световых лет от Земли -- самый отдаленный из обнаруженных на сегодняшний день квазаров. Датированный 670 миллионами лет после Большого взрыва, когда Вселенной было всего 5% от своего настоящего возраста, в квазаре размещена сверхмассивная черная дыра, эквивалентная общей массе 1,6 миллиарда солнц.

Об этом рассказывают в Аризонском университете.

Кроме того, что объект является самым удаленным -- и, соответственно, самым ранним -- известным квазаром, он является первым в своем роде, который демонстрирует признаки утечки ветра перегретого газа из окружения черной дыры со скоростью в одну пятую скорости света. В дополнение к выявлению сильного ветра, управляемого квазаром, новые наблюдения также показывают интенсивную активность звездообразования в галактике-хозяине, в которой находится квазар, официально обозначенный как J0313-1806.

Исследователи представят свои результаты, которые были приняты к публикации в журнале "Astrophysical Journal Letters", во время пресс-конференции и научного доклада на 237-м заседании Американского астрономического общества, которое фактически проходит 11-15 января.

Предыдущий рекордсмен среди квазаров во младенческой Вселенной был обнаружен три года назад.

Считается, что квазары возникают в результате поглощения сверхмассивными черными дырами окружающей вещества, такого как газ или даже целые звезды, что приводит к вихрю перегретой вещества, известного как аккреционный диск, который кружит вокруг черной дыры. Благодаря задействованию огромной энергии, квазары являются одними из самых ярких источников в космосе, часто затмевая свои галактики.

Несмотря на то, что J0313-1806 находится только на 20 миллионов световых лет дальше от предыдущего рекордсмена, новый квазар содержит вдвое более тяжелую сверхмассивную черную дыру. Это знаменует собой значительный прогресс в космологии, поскольку он обеспечивает сильное ограничение образования черных дыр в ранней Вселенной.

"Это самое раннее свидетельство влияния сверхмассивной черной дыры в окружающей его галактике", - заявил ведущий автор будущей публикации Фейг Ванг, стипендиат программы Хаббл от НАСА (2019) из Обсерватории Стюарда в Аризонском университете. "Из наблюдений за менее отдаленными галактиками мы знаем, что это должно произойти, но мы никогда не видели, чтобы это происходило в такой ранней Вселенной".

Квазары, которые уже накопили миллионы, если не миллиарды, солнечных масс в своих черных дырах в то время, когда Вселенная была очень молодой, бросают вызов ученым, пытающимся объяснить, как они возникли, когда у них едва хватило времени это сделать. Общепринятое объяснение образования черной дыры -- это взрыв звезды в конце своей жизни как сверхновой и коллапсирование в черную дыру. Когда такие черные дыры со временем сливаются, они могут -- теоретически -- перерасти в сверхмассивные черные дыры. Однако, подобно тому, что нужно много жизней для накопления пенсионного фонда, вкладывая ежегодно только по одному доллару, квазары в ранней Вселенной несколько напоминают маленьких миллионеров; они, видимо, получили свою массу другими способами.

Недавно обнаруженный квазар представляет собой новый эталон, исключая две нынешние модели того, как образуются сверхмассивные черные дыры за такие короткие сроки. В первой модели массивные звезды, состоящие в основном из водорода и не имеющие большинства других элементов, образующих более поздние звезды, в том числе металлы, образуют первое поколение звезд в молодой галактике и обеспечивают пищей новую черную дыру. Вторая модель привлекает плотные звездные скопления, которые с самого начала коллапсируют в массивную черную дыру.

Однако квазар J0313-1806 может похвастаться черной дырой, которая слишком массивна, чтобы ее можно было объяснить вышеуказанными сценариями, по мнению команды, которая обнаружила квазар. Команда подсчитала, что если бы черная дыра в его центре образовалась уже через 100 миллионов лет после Большого взрыва и росла как можно быстрее, для начала она все равно должна была иметь не менее 10 000 солнечных масс.

"Это говорит вам, что независимо от того, что бы вы ни делали, семя этой черной дыры должно сформироваться с помощью другого механизма", - сказал соавтор Сяохуэй Фан, профессор-регент и доцент кафедры астрономии Аризонского университета. "В данном случае это тот механизм, включающий огромное количество первичного, холодного газа водорода, который непосредственно коллапсирует в черную дыру".

Поскольку этот механизм не требует полноценных звезд в качестве сырья, он единственный, позволяющий сверхмассивной черной дыре квазара J0313-1806 вырасти до 1,6 миллиарда солнечных масс в такой ранний период существования Вселенной. Именно это делает новый рекордный квазар таким ценным, пояснил Фан.

Новости по подобной теме:

		В ранней Вселенной найдена черная дыра, поглощающая материю гораздо быстрее, чем теоретически возможно
		Астрономы обнаружили древние одинокие квазары с непонятным происхождением
		Черная дыра уничтожает звезду и уже взялась за другую

"Как только вы перейдете к нижним красным смещениям, все модели могли бы объяснить существование этих менее отдаленных и менее массивных квазаров", - сказал он. "Чтобы черная дыра выросла до размера, который мы видим с J0313-1806, ей нужно было бы начать с семя черной дыры с по меньшей мере 10 000 солнечными массами, а это было бы возможным только по сценарию прямого коллапса."

Недавно обнаруженный квазар предлагает редкий взгляд на жизнь галактики на заре Вселенной, когда многие галактикообразующие процессы, которые с тех пор замедлились или прекратились в галактиках и которые продолжались вокруг гораздо дольше, все еще были в полном разгаре.

Согласно современным моделям эволюции галактик, сверхмассивные черные дыры, растущие в их центрах, могут быть главной причиной того, почему галактики в конечном итоге перестают создавать новые звезды. Ведя себя как паяльная лампа космических масштабов, квазары яростно выжигают свое окружение, эффективно очищая свою галактику-хозяина от большей части холодного газа, который служит сырьем для звездообразования.

"Мы считаем, что именно сверхмассивные черные дыры стали причиной того, что многие крупные галактики в какой-то момент перестали образовывать звезды", - сказал Фан. "Мы наблюдаем это «тушение» в нижних красных смещениях, но до сих пор мы не знали, насколько рано этот процесс начался в истории Вселенной. Этот квазар является древнейшим свидетельством того, что тушение могло происходить в очень ранние времена".

Измеряя светимость квазара, команда Ванга подсчитала, что сверхмассивная черная дыра в его центре ежегодно поглощает массовый эквивалент 25 солнц, что, как полагают, является основной причиной его высокоскоростного горячего плазменного ветра, дующего в галактику вокруг него с релятивистской скоростью. Для сравнения, черная дыра в центре Млечного Пути стала преимущественно спящей.

И хотя Млечный Путь образует звезды в неспешном темпе около одной солнечной массы ежегодно, J0313-1806 выдает 200 солнечных масс за тот же промежуток времени.

"Это относительно высокая скорость образования звезд, подобная той, что наблюдается в других квазарах подобного возраста, и это говорит нам о том, что галактика-хозяин растет очень быстро", - сказал Ван.

"Эти квазары, видимо, все еще находятся в процессе создания своих сверхмассивных черных дыр", - добавил Фан. "Со временем отток квазара нагревается и вытесняет весь газ из галактики, и тогда черной дыре уже нечего будет есть иона перестанет расти. Это свидетельство того, как растут эти самые ранние массивные галактики и их квазары".

Исследователи рассчитывают найти еще несколько квазаров того же периода времени, включая потенциальных новых рекордсменов, сказал Джиньи Ян, второй автор отчета и стипендиат Питера А. Стритматтера в Обсерватории Стюарда. Ян и Фан проводили наблюдения на 6,5-метровом телескопе Магеллана Бааде в обсерватории Лас-Кампанас в Чили в ночь, когда был обнаружен J0313-1806.

"Наше исследование квазаров охватывает очень широкое поле, что позволяет нам сканировать почти половину неба", - говорит Ян. "Мы отобрали больше кандидатов, по которым будем продолжать более детальные наблюдения".

Исследователи надеются раскрыть больше тайн квазара в дальнейших наблюдениях, особенно с помощью космического телескопа Джеймса Вебба, который планируют запустить в 2021 году.

"С помощью наземных телескопов мы можем видеть лишь точечный источник", - говорит Ван. "Дальнейшие наблюдения могли бы позволить более подробно решить квазар, показать структуру его оттока и то, насколько далеко ветер распространяется в его галактику, и это дало бы нам гораздо лучшее представление об этапе его эволюции".

Читайте еще интересные новости о космосе.

• Черные дыры
• Квазары