Група астрономів, яку очолювали науковці з Аризонського університету, спостерігала квазар на відстані 13,03 мільярда світлових років від Землі — найвіддаленіший натепер квазар. Зважаючи на таку відстань, це означає, що квазар існував уже через 670 мільйонів років після Великого Вибуху, коли вік Всесвіту становив лише 5% від його теперішнього віку. Квазар містить надмасивну чорну діру, маса якої еквівалентна масі 1,6 мільярда Сонць.
Крім того, що цей об’єкт є найвіддаленішим, а, отже, і найпершим квазаром у Всесвіті з нині відомих, — це перший об’єкт з цього сімейства небесних тіл, у якого виявлено вітер з гарячого газу, що дме з околиць чорної діри зі швидкістю п’ятої частини швидкості світла. На додачу до виявлення сильного вітру від квазара, нові спостереження також вказують на інтенсивне утворення зір в материнській галактиці, де міститься квазар, що позначений як J0313-1806.
Попередній рекордсмен серед квазарів у ранньому Всесвіті був виявлений три роки тому. Науковці Аризонського університету також мали відношення до цього відкриття. Згідно з сучасними уявленнями, квазари виникають внаслідок поглинання надмасивною чорною дірою навколишньої речовини, зокрема газу чи навіть зір, що спричиняє появу акреційного диска, який кружляє навколо чорної діри. Квазари, завдяки величезній енергії, яку вони виділяють, є одними з найяскравіших джерел у космосі. Вони часто затьмарюють свої материнські галактики.
Хоча J0313-1806 лежить лише на 20 мільйонів світлових років далі, ніж попередній рекордсмен, маса його надмасивної чорної діри вдвічі більша. Це суттєвий прогрес для космології, бо він забезпечує найсильніше обмеження щодо утворення чорних дір у ранньому Всесвіті.
«Це найперші в часі існування Всесвіту докази того, як надмасивна чорна діра впливає на галактику, в якій вона міститься», — заявив головний автор статті Фейдж Ванґ (Feige Wang) з обсерваторії Стюарда в Аризоні. «Зі спостережень за менш віддаленими галактиками ми знаємо, що це має статися, але ми ніколи не бачили, щоб це відбувалося так рано у Всесвіті».
Квазари, що встигли накопичити мільйони, якщо не мільярди, сонячних мас у своїх чорних дірах тоді, коли Всесвіт був дуже молодий, є викликом для науковців, які намагаються пояснити, як могли сформуватися такі об’єкти, адже часу для цього було мало.
Загальноприйняте пояснення утворення чорної діри: зоря вибухає як наднова в кінці свого життя і утворює чорну діру. Коли такі чорні діри з часом зливаються, вони можуть — теоретично — сформувати надмасивну чорну діру. Однак, подібно до того, як для створення пенсійного фонду в який щорічно відкладають долар, потрібно багато учасників, квазари в ранньому Всесвіті трохи нагадують невеликих мільйонерів; вони, мабуть, отримали свою масу іншими способами.
Нещодавно виявлений квазар став новим еталоном, що дав змогу відкинути дві нинішні моделі утворення надмасивних чорних за такий короткий час. У першій моделі масивні зорі, які складаються здебільшого з водню і не мають інших елементів, зокрема металів, що утворюються в зорях пізніших поколінь, становлять перше покоління зір у молодій галактиці та стають речовиною, яку споживає чорна діра, що формується в центрі зоряної системи. Друга модель передбачає, що масивні чорні діри утворюються внаслідок колапсу тісних зоряних скупчень.
Міжнародна група астрономів виявила найвіддаленіший квазар у Всесвіті, якийіснував приблизно через 670 мільйонів років після Великого Вибуху. Фото з сайту https://phys.org.
Однак маса чорної діри квазара J0313-1806 занадто велика, а тому її значення не можна, як вважають науковці, що її виявили, пояснити вищевказаними сценаріями. Вони обчислили, що якби чорна діра утворилася вже через 100 мільйонів років після Великого Вибуху і зростала найшвидше, то на початку формування її маса мала б становити принаймні 10 000 мас Сонця.
«Це вказує на те, що зародок цієї чорної діри, мабуть, сформувався внаслідок дії іншого механізму», — сказав співавтор дослідження Сяохуей Фан (Xiaohui Fan), завідувач кафедри астрономії Аризонського університету. «В цьому разі йдеться про те, що величезна кількість первинного, холодного газу, водню, прямо стискається до стану чорної діри».
Оскільки цей механізм не потребує зір в якості сировини, він єдиний уможливлює надмасивній чорній дірі квазара J0313-1806 зрости до 1,6 млрд сонячних мас на такому ранньому етапі існування Всесвіті. Саме це робить новий квазар-рекордсмен таким цінним, пояснив Фан.
«Якщо брати менші червоні зміщення в спектрах, то всі моделі дають змогу пояснити існування цих менш віддалених і менш масивних квазарів», ― сказав він. «Щоб чорна діра виросла до розміру, який ми бачимо в J0313-1806, вона мала почати своє формування із зародкової чорної діри масою щонайменше 10 000 сонячних мас. Це було б можливим лише в сценарії прямого колапсу».
Нещодавно виявлений квазар дає змогу поглянути на життя галактики в ранній період розвитку Всесвіту, коли багато процесів формування галактики, які відтоді сповільнилися або припинилися в таких зоряних системах, все ще були в розпалі.
Згідно з сучасними моделями еволюції галактик, надмасивні чорні діри, що ростуть в їхніх центрах, можуть бути головною причиною того, чому галактики зрештою перестають формувати нові зорі. Діючи як паяльна лампа космічних розмірів, квазари нещадно «випалюють» своє оточення, ефективно очищаючи материнську галактику від холодного газу, що служить сировиною, з якої утворюються зорі.
«Ми вважаємо: саме ці надмасивні чорні діри спричинили те, що багато великих галактик в якийсь момент перестали утворювати зорі», — сказав Фан. «Ми спостерігаємо це “затухання” при менших червоних зміщеннях, але досі ми не знали, як рано цей процес розпочався в історії Всесвіту. Цей квазар є найдавнішим свідченням того, що згасання зореутворення могло відбуватися в дуже ранні часи».
Вимірюючи світність квазара, група Ванґа підрахувала, що надмасивна чорна діра в його центрі щороку поглинає масу, еквівалентну масі 25 Сонць. Це вважають основною причиною того, що його високошвидкісний гарячий плазмовий вітер дме в материнську галактику з релятивістською швидкістю. Для порівняння, чорна діра в центрі Молочного Шляху перебуває переважно в спокійному стані.
І тоді, як Молочний Шлях формує зорі спокійним темпом ― щороку в зорі перетворюється кількість речовини Галактики, що становить близько однієї сонячної маси, в об’єкті J0313-1806 за той самий проміжок часу в зорі перетворюється 200 сонячних мас. «Це відносно висока швидкість утворення зір, співмірна з тими, що виявлені в інших квазарах схожого віку, і це вказує на дуже швидке зростання материнської галактики», ― сказав Ванґ.
«Ці квазари, мабуть, все ще перебувають у процесі формування своїх надмасивних чорних дір», ― додав Фан. «З часом речовина, що тече від квазара, нагрівається і витісняє весь газ з галактики. Тоді чорна діра вже не має що споживати і перестає рости. Це свідчення того, як ростуть ці найдавніші масивні галактики та їхні квазари».
Дослідники сподіваються, що їм вдасться знайти ще кілька квазарів у той самий період існування Всесвіту, зокрема й потенційних нових рекордсменів, сказала Джиньі Янґ (Jinyi Yang), другий автор статті, яка є співробітником обсерваторії Стюарда. Янґ і Фан у ніч відкриття J0313-1806 спостерігали на 6,5-метровому телескопі Магеллана імені Бааде в обсерваторії Лас-Кампанас в Чилі.
«Наш огляд квазарів охоплює дуже широке поле, що дає нам змогу сканувати майже половину неба», — сказала Янґ. «Ми дібрали більше кандидатів, які будемо спостерігати більш докладно». Дослідники сподіваються розкрити більше секретів квазарів завдяки майбутнім спостереженням, особливо за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба, запуск якого заплановано на 2021 рік.
«За допомогою наземних телескопів ми можемо бачити лише точкове джерело», ― сказав Ванґ. «Майбутні спостереження дозволять докладніше розгледіти квазар, показати структуру його вітру й те, як він поширюється в материнську галактику. Це дало б нам значно кращі уявлення про етап його еволюції».
Результати дослідження були оголошені в науковій доповіді на 237-му засіданні Американського астрономічного товариства, яке тривало протягом 11—15 січня поточного року та подані для оприлюднення в Astrophysical Journal Letters.
За інф. з сайту https://phys.org підготував Іван Крячко
