Не так давно… Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) взглянул на космический рассвет, космологический период, в котором первые галактики сформировались менее чем через миллиард лет после Большого взрыва. Обнаружилось нечто весьма удивительное. Галактик не только было больше (и более ярких!), чем ожидалось, но в этих галактиках также были сверхмассивные черные дыры (СМЧД), которые были намного больше, чем предсказывали космологические модели. Объяснение того, как эти галактики и их сверхмассивные черные дыры (также известные как квазары) могли вырасти до таких размеров менее чем через миллиард лет после Большого взрыва, стало серьезной проблемой для астрономов и космологов.
Было сделано несколько предложений: от оптических иллюзий до темной материи, ускоряющей рост черных дыр. В недавнем исследовании международная группа под руководством исследователей из Национального института астрофизики (INAF) проанализировала выборку из 21 квазара, которые являются одними из самых далеких квазаров, когда-либо обнаруженных. Результаты показывают, что сверхмассивные черные дыры в центре этих галактик, возможно, достигли своей удивительной массы за счет очень быстрой аккреции, что дает правдоподобное объяснение тому, как галактики и их сверхмассивные черные дыры росли и развивались в ранней Вселенной.
Исследование возглавила Алессия Тортоса, исследователь обсерватории INAF в Риме. К ней присоединились исследователи из Центра внегалактической астрономии, Центра астробиологии (CAB), Института пространственной астрофизики и космической физики Милана, Института фундаментальной физики Вселенной, Национального института ядерной физики и Гарвардского и Смитсоновского институтов. Центр астрофизики, Итальянское космическое агентство (ASI), Европейское космическое агентство (ESA), Центр космических полетов имени Годдарда НАСА и несколько обсерваторий. и университеты. Статья с подробным описанием их выводов была недавно опубликована в журнале Астрономия и астрофизика.
Радиоастрономы впервые наблюдали квазары в 1950-х годах из-за большого количества излучения, которое они излучают на многих частотах. Эти объекты, которые они назвали «квазизвездными объектами» (сокращенно квазарами), характеризовались тем, что их ядра затмевали все звезды в их дисках. Начиная с 1970-х годов астрономы узнали, что это явление связано с присутствием СМЧД в центрах этих галактик. С тех пор астрономы стремились взглянуть на самые ранние галактики во Вселенной, чтобы обнаружить «семена» этих черных дыр и составить график их эволюции.
Однако наблюдения Уэбба выявили несколько удивительно крупных «зародышей» в центрах ранних галактик, которые он сфотографировал. В их число входили такие галактики, как EGSY8p7, которые существовали всего через 570 миллионов лет после Большого взрыва, но имели центральную черную дыру, примерно в 9 миллионов раз превышающую размер Солнца. Еще более удивительной оказалась галактика UHZ1, существовавшая, когда Вселенной было около 470 миллионов лет. В ее центре Уэбб обнаружил массивную черную дыру (обозначенную CEERS 1019) с массой в 40 миллионов раз больше нашего Солнца – в десять раз больше массы Стрельца А*, сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути.
Согласно наиболее широко используемым космологическим моделям, эти галактики и черные дыры не успели вырасти до таких размеров. Для своего исследования Тортоса и ее коллеги проанализировали выборку из 21 квазара (включая самые далекие из когда-либо наблюдавшихся) на основе рентгеновских данных космических телескопов XMM-Newton и Chandra. Это выявило совершенно неожиданную связь между формой рентгеновского излучения и скоростью ветров, выбрасывающих вещество из квазаров. Это соотношение предполагает, что скорость ветра связана с температурой газа, ближайшего к короне черной дыры (области рентгеновского излучения).
Это означает, что корона связана с мощными механизмами аккреции, которые позволяют черным дырам расти. В частности, они наблюдали, как квазары с низкоэнергетическим рентгеновским излучением и более низкими температурами имеют более быстрые ветры, что приводит к быстрой скорости роста, превышающей предел Эддингтона — теоретический предел массы звезды или аккреционного диска. Между тем, квазары с более высоким рентгеновским излучением, как правило, демонстрируют более медленные скорости ветра. Как объяснил Тортоса в пресс-релизе INAF:
«Наша работа предполагает, что сверхмассивные черные дыры в центре первых квазаров, образовавшиеся в первый миллиард лет жизни Вселенной, возможно, очень быстро увеличили свою массу, раздвигая границы физики. Открытие этой связи между рентгеновским излучением и ветром имеет решающее значение для понимания того, как такие большие черные дыры могли образоваться за такое короткое время, и, таким образом, дает конкретный ключ к разгадке одной из величайших загадок современной астрофизики».
Большая часть данных XMM-Newton была собрана в период с 2021 по 2023 год в рамках многолетней программы XMM-Newton Heritage, известной как HYPerluminous Quasars in the Epoch of Reionization (HYPERION). Эта программа, возглавляемая Лукой Заппакостой, исследователем INAF и вторым автором статьи, направлена на изучение сверхсветящихся квазаров во время космического рассвета Вселенной. Заппакоста сказал:
«В программе ГИПЕРИОН мы сосредоточились на двух ключевых факторах: с одной стороны, тщательный отбор квазаров для наблюдения, то есть титанов, то есть тех, которые накопили как можно большую массу, и, с другой стороны, -глубинное изучение их свойств в рентгеновских лучах, нечто такое, что никогда прежде не предпринималось на таком большом количестве космических объектов рассвета. Мы сорвали джекпот! Результаты, которые мы получаем, действительно неожиданны, и все они указывают на механизм роста черной дыры супер-Эддингтона».
Это исследование дает ценную информацию о формировании и эволюции сверхмассивных черных дыр и их родительских галактик. Выводы команды также послужат основой для будущих рентгеновских миссий, таких как усовершенствованный телескоп ЕКА для астрофизики высоких энергий (ATHENA) и усовершенствованный спутник рентгеновской визуализации НАСА (AXIS), а также рентгеновская обсерватория Lynx, запуск которой запланирован на следующий год. Планируемый год – два десятилетия. Ожидается, что эти и другие инструменты следующего поколения раскроют еще больше о ранней Вселенной и помогут разгадать ее глубочайшие загадки.
Дальнейшее чтение: ИНАФ, Астрономия и астрофизика
