Впечатление художника о ярком, очень раннем активном галактическом ядре, обнаруженном Баньядосом и его коллегами, которое имеет фундаментальное значение для роста черных дыр в первый миллиард лет или около того космической истории. Изображение предоставлено: NSF/AUI/NSF NRAO/B. Сакстон
Астрономы обнаружили ключевую часть загадки того, как сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной могли расти так быстро: особый тип активных галактических ядер, настолько далеких, что их свету потребовалось более 12,9 миллиардов лет, чтобы достичь нас. Этот так называемый блазар служит статистическим маркером: его существование подразумевает наличие большой, но скрытой популяции подобных объектов, каждый из которых должен излучать мощные пучки частиц.
Именно здесь это открытие имеет значение для космического развития: предполагается, что черные дыры могут расти значительно быстрее с джетами, чем без них. Исследование опубликовано в статье, опубликованной в журнале Nature Astronomy, а также в статье в The Astrophysical Journal Letters.
Активные ядра галактик (АЯГ) — чрезвычайно яркие центры галактик. Двигатели, которые обеспечивают их огромную выработку энергии, представляют собой сверхмассивные черные дыры. Падение материи на такие черные дыры (аккреция) — наиболее эффективный механизм, известный физике, когда речь идет о высвобождении огромного количества энергии. Благодаря этой непревзойденной эффективности АЯГ способны производить больше света, чем все звезды в сотнях, тысячах – или даже большем – галактиках вместе взятых и в объеме космоса, меньшем, чем наша собственная Солнечная система.
Предполагается, что не менее 10% всех АЯГ излучают сфокусированные пучки частиц высоких энергий, так называемые джеты. Эти струи выстреливают в двух противоположных направлениях из непосредственной близости от черной дыры, чему способствуют и направляют магнитные поля в «аккреционном диске» материала: диске, созданном газом, циркулирующим вокруг черной дыры и падающим в черную дыру. Чтобы мы могли обнаружить АЯГ как блазар, должно произойти нечто очень маловероятное: Земля, наша база наблюдения, должна находиться именно в том месте, где струя АЯГ будет направлена прямо на нас.
В результате получается астрономический аналог того, как кто-то направляет луч очень яркого фонарика прямо вам в глаза: особенно яркий объект в небе. Для блазара также характерны быстрые изменения блеска во временных масштабах дней, часов и даже меньше — следствие случайных изменений закрученного аккреционного диска в основании джета и нестабильностей во взаимодействии магнитных полей джета и заряженных частицы.
Поиск активных ядер галактик в очень ранней Вселенной
Новое открытие стало результатом систематического поиска активных галактических ядер в ранней Вселенной, проведенного Эдуардо Баньядосом, руководителем группы Института астрономии Макса Планка, который специализируется на первом миллиарде лет космической истории, и международной командой исследователей. выведено астрономами.
Поскольку свету требуется время, чтобы достичь нас, мы видим далекие объекты такими, какими они выглядели миллионы или даже миллиарды лет назад. Для более удаленных объектов так называемое космологическое красное смещение, вызванное космическим расширением, смещает их свет в сторону гораздо более длинных волн, чем длины волн, на которых свет испускался. Баньядос и его команда воспользовались этим фактом и систематически искали объекты, которые были настолько смещены в красную область, что они даже не появлялись в обычном видимом свете (в данном случае «Обзор наследия темной энергии»), но были яркими источниками в радиообзоре (3 ГГц). обследование ВЛАСС).
Из 20 кандидатов, соответствующих обоим критериям, только один, обозначенный J0410-0139, соответствовал дополнительному критерию наличия значительных изменений яркости в радиодиапазоне, что позволяет предположить возможность того, что это был блазар.
Затем исследователи пошли глубже, используя необычно большую батарею телескопов, включая наблюдения в ближнем инфракрасном диапазоне с помощью телескопа новой технологии ESO (NTT), спектр с помощью Очень большого телескопа ESO (VLT) и дополнительные спектры в ближнем инфракрасном диапазоне с помощью телескопов Кека LBT. и телескопа Магеллан, рентгеновские изображения с двух космических телескопов XMM-Ньютон от ЕКА и Чандра от НАСА, наблюдения в миллиметровом диапазоне волн с помощью ALMA и Массивы NOEMA и более подробные радионаблюдения с помощью телескопов VLA Национальной радиоастрономической обсерватории США для подтверждения статуса объекта как АЯГ и, в частности, как блазара.
Наблюдения также выявили расстояние до АЯГ (по красному смещению) и даже обнаружили следы родительской галактики, в которую встроено АЯГ. Свету этого активного галактического ядра потребовалось 12,9 миллиардов лет, чтобы достичь нас (z=6,9964), и он несет информацию о Вселенной такой, какой она была 12,9 миллиардов лет назад.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
«Где один, там еще сто»
По словам Баньядоса: «Тот факт, что J0410–0139 — это блазар, реактивный самолет, направленный прямо на Землю, имеет немедленные статистические последствия. В качестве аналогии с реальной жизнью представьте, что вы читаете о ком-то, кто выиграл 100 миллионов долларов». Учитывая, насколько редким является такой выигрыш, можно сразу сделать вывод, что в этой лотерее должно было участвовать гораздо больше людей, но не выиграли столь непомерную сумму. количество.
«Аналогично, открытие АЯГ со струей, направленной прямо на нас, подразумевает, что в это время в этот период космической истории должно было быть много АЯГ со струями, не направленными на нас».
Короче говоря, по словам Сильвии Белладитты, постдокторанта MPIA и соавтора этой публикации: «Там, где есть один, есть еще сто».
Свету предыдущего рекордсмена самого далекого блазара потребовалось примерно на 100 миллионов лет меньше, чтобы достичь нас (z=6,1). Дополнительные 100 миллионов лет могут показаться короткими, учитывая, что мы оглядываемся назад более чем на 12 миллиардов лет, но это имеет решающее значение. Это время, когда Вселенная быстро меняется. За эти 100 миллионов лет сверхмассивная черная дыра может увеличить свою массу на порядок.
Согласно современным моделям, количество АЯГ могло увеличиться в пять-десять раз за эти 100 миллионов лет. Открытие того, что такой блазар существовал 12,8 миллиардов лет назад, не было бы неожиданным. Установить, что 12,9 миллиардов лет назад был такой блазар, как в данном случае – совсем другое дело.
Поддерживает рост черной дыры в течение 12,9 миллиардов лет
Присутствие целой популяции АЯГ с джетами в этот конкретный ранний период времени имеет важные последствия для космической истории и роста сверхмассивных черных дыр в центрах галактик в целом. Черные дыры, чьи АЯГ имеют джеты, могут набирать массу быстрее, чем черные дыры без джетов.
Вопреки распространенному мнению, газу трудно попасть в черную дыру. Естественная функция газа — вращаться вокруг черной дыры, подобно планете, вращающейся вокруг Солнца, с возрастающей скоростью по мере приближения газа к черной дыре («сохранение углового момента»). Чтобы упасть, газ должен замедлиться и потерять энергию. Магнитные поля, связанные с пучком частиц, которые взаимодействуют с закрученным диском газа, могут обеспечить такой «тормозной механизм» и поддержать вход газа.
Это означает, что последствия нового открытия, вероятно, станут строительным блоком для любой будущей модели роста черных дыр в ранней Вселенной: они предполагают существование множества активных галактических ядер 12,9 миллиардов лет назад, которые имели джеты и, таким образом, имели соответствующие магнитные поля, которые могут помочь черным дырам расти со значительной скоростью.
Информация от: Обществом Макса Планка.
