Когда вы смотрите на большинство галактик во Вселенной, вы видите дома сверхмассивных черных дыр. Теперь выяснилось, что квазары, активные галактики, выбрасывающие огромное количество радиации из области вокруг своих черных дыр, также имеют массивные гало из темной материи. Оказывается, они были у них всегда. И активность их черных дыр напрямую связана с этими гало.
Как присутствие темной материи вокруг квазаров может стимулировать такую активность? Этот вопрос побудил Нобунари Касикаву из Токийского университета исследовать сотни таких объектов в ранней Вселенной. Он и его команда обнаружили, что они, по-видимому, активируются присутствием гало темной материи (DMH) и что такое поведение наблюдается на протяжении всей космической истории.
«Мы впервые измерили типичную массу гало темной материи, окружающих активную черную дыру во Вселенной, около 13 миллиардов лет назад», — сказал Касикава. «Мы обнаружили, что масса DMH квазаров довольно постоянна и примерно в 10 триллионов раз превышает массу нашего Солнца. Такие измерения были сделаны для более поздних DMH вокруг квазаров, и эти измерения поразительно похожи на то, что мы видим для более древних квазаров. Это интересно, поскольку предполагает наличие характерной массы DMH, которая, по-видимому, активирует квазар, независимо от того, произошло ли это миллиарды лет назад или прямо сейчас».
Безумное кормление квазаров
Мы знаем, что сверхмассивные черные дыры могут быть ненасытными пожирателями. Их собственные галактики обеспечивают большую часть их жизнеобеспечения, направляя их через центральные решетки или другие механизмы. Но гравитационное влияние темной материи также отправляет материю в пасть черной дыры. Таким образом, чем больше темной материи, тем продолжительнее цикл питания. Типичный квазар излучает огромное количество энергии — по некоторым оценкам, более 1040 ватт. Для этого потребуется не менее 10 солнечных масс материала каждый год. Самые яркие из них съедают более тысячи солнечных масс, чтобы поддерживать свою огромную мощность.
Важно помнить, что черная дыра сама по себе не излучает энергию. Это происходит из-за активности аккреционного диска. Материал, попадающий в черную дыру, нагревается и, в конце концов, становится достаточно горячим, чтобы начать испускать излучение. Сюда входят видимый свет, ультрафиолет и радиоволны. Некоторое количество материала выходит через струю, управляемую сильными магнитными полями. Эти струи и сильные выбросы являются основными сигналами квазара.
Наблюдение квазаров
Итак, другой вопрос: делали ли квазары это на протяжении всей истории? И какова корреляция между массой ДМГ и энергетической активностью? Чтобы найти ответы, команда Касикавы начала свои исследования в 2016 году. Они использовали телескоп Субару на Гавайях и другие инструменты, чтобы изучить 107 квазаров с красным смещением z~6 (около 12,7 миллиардов световых лет от нас). Они обнаружили, что масса ДМГ оставалась довольно постоянной среди обследованной популяции.
Это подтверждает более ранние исследования о том, что соответствующие массы гало остаются постоянными примерно до z~4 (в квазарах в том виде, в каком они появились около 12 миллиардов лет назад). Команда пришла к нескольким другим выводам. Во-первых, большинство квазаров существуют внутри темных гало, имеющих около 1012,5 до 1013 солнечные массы. (Эта масса отделена от массы черной дыры и звездных масс.) Во-вторых, существует характерная масса гало, которая играет роль в активации сверхмассивной центральной черной дыры для создания квазара.
Измерить массу DHM не так-то просто. Во-первых, саму темную материю трудно наблюдать. Его можно обнаружить по гравитационному воздействию на галактики. Это влияет на их движения и движения. Он также существует в более мелких скоплениях, над пониманием которых астрономы все еще работают. Другой способ обнаружить эффект темной материи — гравитационное линзирование. Гравитационное притяжение темной материи может отклонять или искажать свет от более удаленных объектов. Астрономы могут определить, сколько существует искажений. На больших расстояниях (таких как расстояния до квазаров в исследовании Касикавы) астрономам приходится иметь дело с красным смещением света и другими проблемами.
Что дальше?
Квазары дают астрономам возможность лучше понять их массы DHM, поскольку квазары очень яркие во всех режимах электромагнитного спектра. Современные методы спектроскопии позволяют астрономам более детально измерять галактики и их гало из темной материи.
Очевидно, что для подтверждения масс DMH будут проведены дополнительные исследования квазаров на разных красных смещениях. Команда использует HyperSuprimeCam компании Subaru для изучения квазаров в точке z~5 (так, как они существовали около 12,4 миллиардов лет назад). Они также ссылаются на дополнительные измерения, которые должны быть выполнены с помощью Большой миллиметровой решетки Атакамы в Чили, которые позволят им сравнить массы гало со звездными массами в родительской галактике. JWST также позволит проводить более прямые измерения звездного населения и масс родительской галактики. В будущем обсерватории Нэнси Грейс Роман и Евклид (обе планируется запустить в течение десятилетия) смогут доставить большие объемы выборок квазаров в более широкий диапазон Вселенной.
Все эти измерения помогут отличить массу квазаров родительской галактики от их сверхмассивных черных дыр и гало темной материи. В конечном счете, полученные результаты помогут астрономам понять, как эти галактики и их сверхмассивные черные дыры эволюционировали вместе с их гало из темной материи в ранней Вселенной.
Для дополнительной информации
Ореолы темной материи измерены вокруг древних квазаров
Исследование Subaru High-z квазаров низкой светимости (SHELLQs). XVIII. Масса квазаров в гало темной материи в z~6
