Астрономы обнаружили 31 квазар, существовавший в первые 600–800 миллионов лет после Большого взрыва. Два объекта оказались самыми далекими из когда-либо наблюдавшихся квазаров, а один из них позволяет заглянуть во Вселенную, которой было всего около 670 миллионов лет. Эти находки дают возможность изучать не только первые сверхмассивные черные дыры, но и галактики, в которых они росли.

Особенно важен сам характер новой выборки. Ранее наблюдения ранней Вселенной в значительной степени были сосредоточены на исключительно ярких квазарах, поскольку более слабые объекты обнаружить гораздо труднее. Новые данные позволяют исследовать значительно более тусклые квазары и тем самым приблизиться к пониманию того, насколько типичными были быстро растущие черные дыры на заре космической истории.

Почему древние квазары представляют такую ценность

Квазар — это не отдельный тип звезды и не самостоятельный объект вроде планеты. Это чрезвычайно яркая активная фаза существования галактического ядра, связанная с быстрым падением вещества на сверхмассивную черную дыру.

Когда газ и пыль приближаются к черной дыре, они образуют вращающийся аккреционный диск. Вещество в нем движется с огромными скоростями, сталкивается и взаимодействует, нагревается и испускает интенсивное электромагнитное излучение. В активной фазе центральная область галактики может светить настолько ярко, что ее излучение становится заметным на космологических расстояниях.

Квазар — это не сама черная дыра

Важно различать черную дыру и квазар. Сверхмассивная черная дыра сама по себе не является источником яркого света, поскольку излучение не может выйти из-за горизонта событий. Наблюдаемое излучение возникает в окружающем ее веществе, прежде всего в аккреционном диске и других структурах активного ядра.

Именно поэтому квазары становятся своеобразными космическими маяками. Чем больше вещества поступает к черной дыре, тем более мощным может становиться активное ядро. При этом сама сверхмассивная черная дыра продолжает набирать массу.

Большинство крупных галактик, включая Млечный Путь, имеют сверхмассивные черные дыры в центральных областях. Сейчас центральная черная дыра нашей Галактики находится в сравнительно спокойном состоянии, но в прошлом ядро Млечного Пути могло проходить через гораздо более активные фазы.

Почему особенно важны квазары ранней Вселенной

Наблюдая удаленный квазар, астрономы фактически смотрят в прошлое. Свет от объектов, расположенных на расстоянии в миллиарды световых лет, идет к Земле миллиарды лет. Поэтому древний квазар позволяет увидеть не современное состояние его галактики, а то, какой она была вскоре после возникновения Вселенной.

Для космологии это особенно важно. Современные галактики и их центральные черные дыры формировались на протяжении миллиардов лет, однако мы не можем непосредственно наблюдать весь этот процесс в одной и той же галактике от начала до конца. Вместо этого астрономы собирают своеобразную временную последовательность из объектов разного возраста.

Чем дальше удается заглянуть, тем более раннюю стадию формирования галактик можно исследовать.

Новая рекордная группа квазаров

Новые объекты были найдены по данным первых примерно полутора лет широкого обзора неба космического телескопа Euclid. Поиск проводился на площади около 3000 квадратных градусов. Все 31 квазар имеют красное смещение примерно от 6,6 до 7,8.

Самый далекий квазар

Рекордсменом стал объект EUCL J172902.75+641018.1 с красным смещением около 7,77. Свет от него был испущен в эпоху, когда Вселенной было примерно 670 миллионов лет.

Предыдущий рекордсмен имел красное смещение около 7,64. Таким образом, новый объект отодвинул границу наблюдаемой истории квазаров еще примерно на 15 миллионов лет назад. В масштабах человеческой истории это ничтожный промежуток, но для первых сотен миллионов лет существования Вселенной даже несколько миллионов лет имеют значение.

Второй рекордный объект — EUCL J125308.55+705432.3 — имеет красное смещение около 7,69 и также относится к наиболее ранним известным квазарам.

В общей сложности среди 31 нового объекта оказалось 12 квазаров с красным смещением не менее 7. Их обнаружение более чем вдвое увеличило число известных квазаров с такими значениями красного смещения: до этого было подтверждено девять, теперь их стало 23.

Почему увеличение числа объектов важнее одного рекорда

Рекордное расстояние само по себе привлекает внимание, однако для науки гораздо важнее увеличение статистики. Если исследователям известен только один или несколько самых ярких объектов, трудно определить, насколько они характерны для всей популяции ранних квазаров.

Исключительно яркие квазары могут представлять редкую стадию особенно интенсивного роста черной дыры. Если же обнаруживается больше слабых объектов, становится возможным сравнить их свойства и выяснить, как часто сверхмассивные черные дыры активно росли в ранней Вселенной.

Новая выборка особенно интересна именно потому, что включает объекты, которые значительно слабее многих ранее изученных древних квазаров. Это расширяет диапазон наблюдаемой популяции и позволяет постепенно перейти от изучения отдельных космических рекордсменов к статистическому исследованию ранних активных галактических ядер.

Как удалось обнаружить настолько далекие объекты

Поиск квазаров ранней Вселенной представляет серьезную наблюдательную проблему. Их свет чрезвычайно долго путешествует до Земли, а расширение Вселенной за это время растягивает длины волн.

Излучение, которое первоначально испускалось преимущественно в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, к моменту прибытия на Землю оказывается смещенным в более длинноволновую, в том числе инфракрасную, область. Поэтому очень далекие квазары могут выглядеть совершенно иначе, чем более близкие активные ядра.

«Исчезновение» в видимом диапазоне

Одним из ключевых признаков очень далекого квазара становится характерный разрыв в его спектре. Коротковолновое излучение поглощается нейтральным водородом между галактикой и наблюдателем, а из-за космологического красного смещения граница поглощения оказывается перенесена в наблюдаемый диапазон.

Поэтому объект может быть хорошо виден в инфракрасных фильтрах и практически отсутствовать на более коротких длинах волн. Такой характерный «dropout» — исчезновение объекта из определенных диапазонов — позволяет отбирать кандидатов на очень большое красное смещение.

Роль Euclid

Космический телескоп Euclid оказался особенно полезен для такого поиска благодаря сочетанию широкой области обзора и чувствительности в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах.

В отличие от телескопов, которые могут долго наблюдать небольшую область неба, Euclid способен систематически обследовать огромные участки. Это важно для поиска редких объектов: чем большую площадь удается исследовать, тем выше вероятность найти необычно далекий квазар.

В поиске использовались методы машинного обучения и вероятностного отбора кандидатов по изображениям Euclid. Дополнительные данные помогли уточнить положение характерного разрыва, после чего кандидаты проверялись с помощью спектроскопических наблюдений наземных обсерваторий.

Наземные телескопы подтвердили открытия

Одного изображения недостаточно, чтобы надежно установить, что перед исследователями действительно находится древний квазар. Необходимо измерить его спектр и определить красное смещение.

Для спектроскопического подтверждения использовались телескопы Keck, Magellan и Large Binocular Telescope. В результате удалось подтвердить все 31 объекта как квазары ранней Вселенной.

Такое сочетание космического обзора и наземной спектроскопии особенно эффективно. Космический телескоп обеспечивает широкий поиск, а крупные наземные инструменты позволяют подробно исследовать отобранные кандидаты.

Для наиболее удаленных объектов это имеет принципиальное значение: даже если квазар достаточно яркий для обнаружения, его спектральные особенности могут быть крайне слабыми.

Главная загадка: как черные дыры выросли настолько быстро

Обнаружение сверхмассивных черных дыр в столь молодой Вселенной ставит перед астрофизиками одну из наиболее сложных проблем.

Если Вселенной было всего несколько сотен миллионов лет, у центральной черной дыры было сравнительно мало времени для накопления огромной массы. Тем не менее уже в эту эпоху существовали чрезвычайно яркие квазары, связанные с быстро растущими сверхмассивными черными дырами.

Проблема времени

Черная дыра может увеличивать массу за счет аккреции окружающего вещества. Но рост не может быть произвольно быстрым. Количество доступного газа ограничено, а скорость его поступления зависит от окружающей галактики и физики аккреционного диска.

Поэтому обнаружение массивных черных дыр в возрасте Вселенной менее миллиарда лет означает, что их предшественники должны были появиться очень рано и затем эффективно расти.

Это приводит к двум связанным вопросам: насколько массивными были первые «семена» черных дыр и насколько быстро они могли набирать массу.

Маленькое начальное семя или уже массивная черная дыра

Одно из направлений исследований предполагает образование первых черных дыр из остатков первых звезд. В таком сценарии исходные черные дыры имели относительно небольшую массу и затем постепенно росли.

Другой класс моделей допускает формирование гораздо более массивных начальных объектов непосредственно из больших облаков газа. В таком случае черной дыре не нужно начинать с массы, сравнимой с обычным звездным остатком.

Новые наблюдения не выбирают автоматически один из этих сценариев. Однако чем раньше обнаруживаются массивные квазары, тем жестче ограничения на все модели происхождения и роста первых сверхмассивных черных дыр.

Именно поэтому обнаружение большого числа ранних квазаров представляет большую ценность: статистика помогает определить, насколько распространены подобные объекты и какие сценарии формирования способны объяснить их свойства.

Древние квазары помогают изучать не только черные дыры

Квазар находится в центре галактики, поэтому его изучение дает информацию и об окружающей системе. Особенно интересны случаи, когда удается обнаружить слабое излучение самой галактики-хозяина рядом с чрезвычайно ярким ядром.

Один из новых квазаров уже позволил провести такой анализ.

Галактика вокруг одного из древнейших квазаров

Объект EUCL J125308.55+705432.3 особенно интересен тем, что он намного слабее по ультрафиолетовому излучению, чем прежние рекордные квазары. Его свет показывает галактику такой, какой она была примерно 13 миллиардов лет назад, когда Вселенной было около 800 миллионов лет.

Для исследования галактики-хозяина использовался миллиметровый интерферометр NOEMA. Наблюдения проводились на двух длинах волн, каждая из которых дает информацию о разных компонентах галактики.

Одна из них связана с линией ионизированного углерода [C II]. Она особенно полезна для исследования газа, связанного с областями звездообразования. По ее излучению можно оценить темпы рождения новых звезд, а по форме линии — изучать движение газа и оценивать общую массу галактики.

Вторая составляющая связана с тепловым излучением холодной пыли. Количество пыли позволяет получить информацию о газовом резервуаре галактики, поскольку пыль обычно связана с молекулярным газом, который является основным сырьем для формирования новых звезд.

В молодой галактике идет интенсивное звездообразование

Исследование показало, что галактика-хозяин EUCL J125308.55+705432.3 формирует более 250 солнечных масс звезд в год. Для сравнения, современный Млечный Путь формирует примерно одну солнечную массу звезд в год.

Оценка общей массы этой древней галактики составляет около 10 миллиардов солнечных масс — примерно в десять раз меньше массы Млечного Пути. При этом в ней обнаружен значительный запас молекулярного газа, способный поддерживать интенсивное звездообразование.

Это важный результат, поскольку он показывает, что уже менее чем через миллиард лет после Большого взрыва существовали достаточно массивные галактики с большим количеством газа и активно растущими звездами.

Одновременно это не означает, что галактика уже была похожа на современную крупную спиральную галактику. Напротив, ее сравнительно небольшая масса по сравнению с Млечным Путем указывает на то, что дальнейший рост еще продолжался.

Не все ранние квазары одинаковы

Особенно интересна разница между чрезвычайно яркими квазарами, которые долгое время преобладали в наблюдениях, и более тусклыми объектами новой выборки.

EUCL J125308.55+705432.3 примерно в несколько раз слабее по ультрафиолетовому излучению, чем предыдущие рекордсмены. Это дает возможность изучать другую часть популяции ранних активных ядер.

Почему тусклый квазар может быть важнее яркого

Яркость квазара зависит не только от массы черной дыры. Она определяется тем, насколько активно черная дыра в данный момент поглощает окружающее вещество и сколько энергии выделяется в аккреционном процессе.

Поэтому слабый квазар не обязательно означает маленькую черную дыру. Он может находиться в менее активной фазе роста или его излучение может частично блокироваться окружающей пылью.

Именно два таких объяснения рассматриваются для EUCL J125308.55+705432.3: черная дыра может расти медленнее, чем черные дыры в наиболее ярких квазарах, либо часть ее активности скрыта плотными облаками пыли. Для различения этих вариантов потребуются дальнейшие наблюдения.

Это важное уточнение, поскольку прямое сравнение яркости разных квазаров не позволяет просто определить их массы или скорость роста без учета окружающей среды и состояния аккреционного диска.

Квазары и формирование галактик связаны между собой

Сверхмассивная черная дыра находится в центре галактики, но ее активность не обязательно остается локальным явлением.

Интенсивное излучение активного ядра способно нагревать окружающий газ. В зависимости от физических условий энергия активного ядра может препятствовать образованию новых звезд или, в некоторых обстоятельствах, способствовать сжатию газа и усилению звездообразования. Поэтому эволюция черной дыры и эволюция галактики рассматриваются как взаимосвязанные процессы.

Почему важно наблюдать черную дыру вместе с ее галактикой

Если изучать только квазар, остается неизвестным, в какой среде росла центральная черная дыра. Наблюдения галактики-хозяина позволяют выяснить, сколько в ней газа и пыли, насколько интенсивно формируются звезды и как распределена масса.

В случае EUCL J125308.55+705432.3 получилась особенно интересная картина: относительно слабое активное ядро окружено массивной, богатой газом галактикой с интенсивным звездообразованием.

Это показывает, что уже на ранней стадии космической истории черные дыры и их галактики могли находиться в тесной физической связи.

Почему результаты важны для эпохи реионизации

Новые квазары существовали в эпоху реионизации — периода, когда нейтральный водород ранней Вселенной постепенно переходил в ионизированное состояние под воздействием излучения первых звезд и галактик.

Квазары являются мощными источниками ультрафиолетового излучения и поэтому могут влиять на окружающую межгалактическую среду. Одновременно их свет, проходящий через пространство между галактиками, позволяет исследовать свойства этого газа.

Таким образом, каждый достаточно далекий квазар является не только объектом исследования сам по себе, но и своеобразным фонарем, подсвечивающим материю между нами и древней галактикой.

Однако влияние конкретных квазаров на глобальную реионизацию зависит от их численности, яркости, продолжительности активной фазы и свойств окружающего газа. Поэтому для понимания роли квазаров необходимо изучать целую популяцию таких объектов, а не делать выводы только по одному рекордсмену.

Что изменилось благодаря новой выборке

Главное достижение заключается не только в том, что граница наблюдаемой Вселенной была отодвинута еще дальше. Гораздо важнее изменение качества выборки.

До появления большого числа слабых древних квазаров ученые преимущественно наблюдали самые яркие и потому наиболее удобные для изучения объекты. Такая ситуация создавала риск своеобразной селекции: самые необычные квазары было легче обнаружить, чем обычные.

Теперь в распоряжении астрономов появляется значительно более широкая выборка.

От отдельных рекордов к статистике

31 новый квазар позволяет сравнивать объекты между собой, изучать диапазон их яркости и определять, как меняется количество квазаров с расстоянием и возрастом Вселенной.

Особенно ценны 12 объектов с красным смещением не менее 7. Они позволяют исследовать эпоху, когда Вселенной было менее 800 миллионов лет.

По мере увеличения числа таких объектов станет возможным точнее определить функцию светимости ранних квазаров — то есть распределение объектов по яркости. Это один из ключевых параметров для понимания того, насколько часто в ранней Вселенной существовали активно растущие сверхмассивные черные дыры.

Почему дальнейшие открытия почти неизбежны

Нынешняя выборка была получена всего за первые полтора года работы широкого обзора. Полная программа Euclid рассчитана примерно на шесть лет наблюдений.

Ожидается, что дальнейший поиск позволит обнаружить сотни дополнительных квазаров с большим красным смещением, в том числе потенциально объекты с красным смещением выше 8. Такие находки позволят еще глубже исследовать период формирования первых галактик и черных дыр.

При этом каждое новое открытие придется подтверждать спектроскопически и изучать в других диапазонах. Одного широкоугольного инфракрасного изображения недостаточно для полноценного понимания физики древнего квазара.

Открытие не решило проблему первых сверхмассивных черных дыр

Новые наблюдения значительно расширили число известных древних квазаров, но окончательного ответа на вопрос о происхождении первых сверхмассивных черных дыр пока нет.

По-прежнему неизвестно, какие именно объекты стали их первоначальными «семенами», насколько быстро они могли расти и какую роль в этом процессе играли окружающие галактики.

Наблюдения также не позволяют утверждать, что все древние квазары образовались одинаковым путем. Напротив, различия между яркими и более тусклыми объектами могут указывать на существование разных стадий роста или разные условия в их галактиках-хозяевах.

Поэтому главная ценность новых результатов заключается в том, что они превращают ранние квазары из набора отдельных космических рекордсменов в более многочисленную группу, которую можно изучать статистически.

Взгляд почти к началу истории Вселенной

Обнаружение 31 древнего квазара показывает, насколько быстро меняются возможности наблюдательной космологии. Телескоп Euclid, созданный прежде всего для изучения крупномасштабной структуры Вселенной, темной материи и темной энергии, одновременно оказался эффективным инструментом поиска чрезвычайно далеких активных галактических ядер.

Самый далекий из новых объектов виден таким, каким он был, когда Вселенной было около 670 миллионов лет. Это означает, что уже в столь раннюю эпоху существовали сверхмассивные черные дыры, способные поглощать вещество с огромной скоростью и превращать энергию аккреции в чрезвычайно яркое излучение.

Еще важнее, что теперь ученые начинают видеть не только самые яркие квазары. Исследование более слабых объектов и их галактик-хозяев дает возможность выяснить, как именно формировалась связь между черными дырами, газом, звездами и галактиками на самых ранних этапах космической истории.

Пока остается открытым главный вопрос: каким образом за несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва появились черные дыры, способные стать источниками таких мощных квазаров. Новые наблюдения не дают окончательного ответа, но существенно сужают пространство возможных сценариев и создают гораздо более надежную основу для их проверки.

Именно поэтому будущие открытия Euclid особенно важны. Чем больше древних квазаров удастся найти и чем лучше будут изучены их галактики-хозяева, тем ближе астрономы смогут подойти к реконструкции первых этапов роста сверхмассивных черных дыр и формирования крупных галактик во Вселенной.

Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com