Группа астрономов из Университета Аризоны наблюдала светящийся квазар в 13,03 миллиарда световых лет от Земли — самый далекий квазар, обнаруженный на сегодняшний день. Квазар, датируемый 670 миллионами лет после Большого взрыва, когда возраст Вселенной составлял всего 5% от нынешнего, содержит сверхмассивную черную дыру, эквивалентную общей массе 1,6 миллиарда солнц.
Помимо того, что это самый далекий и, соответственно, самый ранний из известных квазаров, этот объект является первым в своем роде, демонстрирующим свидетельства истекающего ветра перегретого газа, выходящего из окрестностей черной дыры на пятой части света. скорость света. В дополнение к выявлению сильного ветра, вызываемого квазаром, новые наблюдения также показывают интенсивную активность звездообразования в родительской галактике, где расположен квазар, формально обозначенный как J0313-1806.
Исследователи представят свои выводы, которые были приняты для публикации в Astrophysical Journal Letters, во время пресс-конференции и научного выступления на 237-м заседании Американского астрономического общества, которое состоится практически с 11 по 15 января 2021 года.
Предыдущий рекордсмен среди квазаров молодой Вселенной был открыт три года назад. Команда Университета Аризоны также внесла свой вклад в это открытие. Считается, что квазары возникают в результате поглощения сверхмассивными черными дырами окружающей материи, такой как газ или даже целые звезды, в результате чего возникает водоворот перегретой материи, известный как аккреционный диск, который вращается вокруг черной дыры. Из-за огромных энергий квазары являются одними из самых ярких источников в космосе, часто превосходя их родительские галактики.
Хотя J0313-1806 находится всего на 20 миллионов световых лет дальше, чем предыдущий рекордсмен, новый квазар содержит сверхмассивную черную дыру в два раза тяжелее. Это знаменует собой значительный прогресс космологии, поскольку он обеспечивает самое сильное ограничение на образование черных дыр в ранней Вселенной.
Ведущий автор статьи Фейдж Ван, научный сотрудник Хаббла из обсерватории Стюарда Уаризоны сказал:
Это самое раннее свидетельство того, как сверхмассивная черная дыра влияет на свою родительскую галактику вокруг нее. Из наблюдений за менее далекими галактиками мы знаем, что это должно произойти, но мы никогда не видели, чтобы это происходило так рано во Вселенной.
Квазары, которые уже накопили миллионы, если не миллиарды солнечных масс в своих черных дырах в то время, когда Вселенная была еще очень молодой, представляют собой проблему для ученых, пытающихся объяснить, как они возникли, когда у них едва было на это время. Общепринятое объяснение образования черной дыры включает в себя взрыв звезды как сверхновой в конце своей жизни и коллапс в черную дыру. Когда такие черные дыры со временем сливаются, они теоретически могут вырасти в сверхмассивные черные дыры. Тем не менее, как и для создания пенсионного фонда за счет ежегодных вкладов в доллар каждый год, квазары в ранней вселенной немного похожи на маленьких миллионеров; они должны были получить свою массу другими способами.
Недавно обнаруженный квазар представляет собой новый ориентир, исключая две текущие модели образования сверхмассивных черных дыр за такие короткие сроки. В первой модели массивные звезды, которые состоят в основном из водорода и лишены большинства других элементов, составляющих более поздние звезды, включая металлы, образуют первое поколение звезд в молодой галактике и обеспечивают пищу для зарождающейся черной дыры. Вторая модель включает в себя плотные звездные скопления, которые с самого начала коллапсируют в массивную черную дыру.
Quasar J0313-1806, однако, может похвастаться черной дырой, слишком массивной, чтобы ее можно было объяснить вышеупомянутыми сценариями, по словам обнаружившей ее команды. Команда подсчитала, что если бы черная дыра в ее центре образовалась уже через 100 миллионов лет после Большого взрыва и росла с максимально возможной скоростью, она все равно должна была бы иметь по крайней мере 10 000 солнечных масс.
Соавтор Сяохуэй Фань, профессор-регент и младший руководитель отдела астрономии УАризоны сказал:
Это говорит вам о том, что независимо от того, что вы делаете, семя этой черной дыры должно быть сформировано другим механизмом. В данном случае речь идет о том, что огромное количество первичного холодного газообразного водорода прямо коллапсирует в зародышевую черную дыру.
Поскольку для этого механизма не требуются полноценные звезды в качестве исходного материала, это единственный механизм, который позволил бы сверхмассивной черной дыре квазара J0313-1806 вырасти до 1,6 миллиарда солнечных масс на столь раннем этапе существования Вселенной. Это то, что делает новый рекордный квазар таким ценным, объяснил Фан.
Как только вы перейдете к более низким красным смещениям, все модели смогут объяснить существование этих менее далеких и менее массивных квазаров. Чтобы черная дыра выросла до размеров, которые мы видим в J0313-1806, она должна была начаться с зародышевой черной дыры с массой не менее 10 000 солнечных масс, и это было бы возможно только в сценарии прямого коллапса.
Недавно обнаруженный квазар, кажется, дает редкую возможность заглянуть в жизнь галактики на заре Вселенной, когда многие процессы формирования галактик, которые с тех пор замедлились или прекратились в галактиках, которые существовали гораздо дольше, все еще были в полном разгаре. .
Согласно нынешним моделям эволюции галактик, сверхмассивные черные дыры, растущие в их центрах, могут быть основной причиной, по которой галактики в конечном итоге перестают производить новые звезды. Действуя как паяльная лампа космических размеров, квазары яростно взрывают свое окружение, эффективно очищая свою галактику от большей части холодного газа, который служит сырьем для формирования звезд.
Мы думаем, что эти сверхмассивные черные дыры были причиной того, что многие из больших галактик в какой-то момент перестали образовывать звезды. Мы наблюдаем это« гашение »при более низких красных смещениях, но до сих пор мы не знали, насколько рано этот процесс начался в истории Вселенной. Этот квазар — самое раннее свидетельство того, что тушение могло происходить в очень ранние времена.
Измеряя светимость квазара, команда Вана подсчитала, что сверхмассивная черная дыра в его центре поглощает в среднем 25 солнц в год по массе, что считается основной причиной того, что его высокоскоростной горячий плазменный ветер дует в атмосферу. галактика вокруг него с релятивистской скоростью. Для сравнения, черная дыра в центре Млечного Пути в основном бездействует. И в то время как Млечный Путь формирует звезды с неторопливой скоростью около одной солнечной массы каждый год, J0313-1806 производит 200 солнечных масс за тот же период времени.
Исследователи ожидают найти еще несколько квазаров того же периода, в том числе потенциальных новых рекордсменов, сказал Джиньи Ян, второй автор отчета, который является научным сотрудником Питера А. Стритматтера в обсерватории Стюарда. Ян и Фань наблюдали на 6,5-метровом телескопе Magellan Baade в обсерватории Лас-Кампанас в Чили в ночь открытия J0313-1806. Исследователи надеются раскрыть больше о секретах квазара с будущими наблюдениями, особенно с NASA космического телескопа Джеймса Вебба, в настоящее время планируется к запуску в 2021 году.
В дополнение к 6.5-метровому телескопу Magellan Baade в этом исследовании были задействованы следующие инструменты: Северный телескоп Gemini и обсерватория WM Keck, оба на Маунакее, Гавайи; и Южный телескоп Джемини, 4-метровый телескоп Виктора М. Бланко в Межамериканской обсерватории Серро Тололо и ALMA , Большая миллиметровая матрица Атакамы, все они расположены в пустыне Атакама в Чили. Данные телескопа Blanco, внесенные в исследования DESI Legacy Imaging Surveys, которые предоставляются астрономическому сообществу через лабораторию астрономических данных в Центре исследований и данных сообщества NOIRLab (CSDC), помогли впервые идентифицировать J0313-1806, и были использованы наблюдения Gemini South. чтобы подтвердить свою идентичность как квазара.