Астрономы обнаружили квазар, питаемый сверхмассивной чёрной дырой, который, возможно, помог "включить свет" в ранней Вселенной.

Интенсивные повышение и понижение яркости этого квазара наблюдалось рентгеновским космическим телескопом НАСА NuSTAR (Nuclear Spectroscopic Telescope ARray). Затем наблюдения NuSTAR сопоставили с данными о той же питающей сверхмассивной чёрной дыре, полученными с помощью рентгеновского космического телескопа НАСА Chandra.

Новые результаты могут помочь объяснить, как завершились "тёмные века" ранней Вселенной и как чёрные дыры так быстро выросли до масс, эквивалентных миллионам или даже миллиардам солнечных.

Предполагается, что сверхмассивные чёрные дыры становятся такими большими благодаря цепочке слияний с более мелкими чёрными дырами и питанию большим количеством газа и пыли. Проблема в том, что этот процесс, как считается, занимает не менее миллиарда лет. Это означает, что сверхмассивные чёрные дыры, появившиеся менее чем миллиард лет после Большого взрыва, представляют собой загадку, которую астрономам очень хотелось бы разгадать.

Недавно изученный квазар, получивший обозначение CFHQS J142952+54471 (J1429+5447), находится на таком расстоянии от нас, что его свет добирается до Земли почти 13 миллиардов лет. То есть он существовал как раз в конце этого загадочного периода.

«В этой работе мы обнаружили, что этот квазар с большой вероятностью является сверхмассивной чёрной дырой с джетом, направленным в сторону Земли, и мы наблюдаем его в первые миллиарды лет существования Вселенной», — говорит руководитель группы исследователей Леа Маркотулли, научный сотрудник Йельского университета, в своём заявлении.

Эта хронология означает, что эта сверхмассивная чёрная дыра, масса которой, по оценкам, примерно в 200 миллионов раз превышает массу Солнца, существовала в жизненно важный космический период, известный как «эпоха реионизации».

Да будет свет...

Космические тёмные века — это период, существовавший примерно 1,1 миллиарда лет после Большого взрыва.

Когда возраст Вселенной составлял около 380 000 лет, она уже достаточно остыла, чтобы электроны и протоны могли объединиться и образовать атомы. Исчезновение свободных электронов означало, что фотоны, фундаментальные частицы света, перестали бесконечно рассеиваться на материи и смогли преодолевать большие расстояния.

Другими словами, космос внезапно превратился из непрозрачного в прозрачный. «Ископаемый» остаток этого «первого света» существует и сегодня в виде реликтового излучения (РИ).

Однако по мере того, как Вселенная продолжала остывать, образовывалось всё больше нейтральных атомов водорода, которые начали массово поглощать фотоны. Это привело к тому, что Вселенная снова потемнела, положив начало космическим тёмным векам.

Эпоха реионизации охватывает период с 680 миллионов лет до 1,1 миллиарда лет после Большого взрыва, в течение которого высокоэнергетический свет начал отделять электроны от ионов водорода, позволяя свету снова свободно распространяться.

Хотя считается, что ключевую роль в процессе реионизации сыграло ультрафиолетовое излучение первых звёзд, учёные давно подозревают, что в этом процессе должны были участвовать и другие источники высокоэнергетического света.

Именно здесь в дело вступают ранние квазары.

«Эпоха реионизации считается концом тёмных веков Вселенной», — говорит член исследовательской группы и учёный Центра рентгеновских лучей "Чандра" Томас Коннор. "Точные сроки и класс источников, ответственных за реионизацию, всё ещё обсуждаются, и одним из предполагаемых виновников являются активно аккрецирующие сверхмассивные чёрные дыры".

Квазары рассеивают ранний космический туман

Квазары появляются там, где сверхмассивные чёрные дыры хищно питаются окружающей их материей.

Эти сверхмассивные чёрные дыры создают огромное трение в сплющенных облаках вещества, известных как аккреционные диски, которыми чёрные дыры постоянно питаются. Кроме того, вещество, которое не поступает в чёрную дыру, направляется к её полюсам, откуда оно вылетает в виде струй,– джетов,- скорость которых близка к световой.

Поэтому квазары, подобные J1429+5447, часто бывают ярче, чем суммарный свет всех звёзд в окружающих их галактиках во всём электромагнитном спектре.

Таким образом, они не только являются идеальными источниками для исследования конца космических тёмных веков, но и главными подозреваемыми в поисках этого важного универсального фазового перехода, возможно, дающего энергию для ионизации нейтрального водорода.

Коннор и его коллеги сравнили наблюдения J1429+5447, сделанные с помощью NuSTAR, с наблюдениями того же квазара, проведёнными с помощью Chandra.

Исследователи обнаружили, что рентгеновское излучение J1429+5447 удвоилось за четыре месяца. Хотя это и так невероятно короткий срок по космическим меркам во Вселенной, возраст которой составляет 165,6 миллиарда месяцев, эффект относительности, искажающий время, означает, что четыре месяца изменений для этого квазара были сжаты всего до двух недель для этой ранней сверхмассивной чёрной дыры.

"Поскольку струя движется почти со скоростью света, эффекты теории специальной относительности Эйнштейна ускоряют и усиливают колебания", — объясняет член команды Мэг Урри с факультета искусств и наук Йельского университета. "Такой уровень изменчивости параметров рентгеновского излучения, с точки зрения интенсивности и скорости, является экстремальным. Он почти наверняка объясняется направленной на нас струёй — конусом, в котором частицы переносятся на расстояние до миллиона световых лет от центральной сверхмассивной чёрной дыры".

Это наблюдение не только поможет учёным разгадать секреты реионизации, но и может стать ключом к обнаружению более ранних сверхмассивных чёрных дыр и выяснению того, как они стали такими большими.

«Обнаружение большего числа сверхмассивных чёрных дыр, в которых потенциально могут возникать джеты, ставит вопрос о том, как эти чёрные дыры выросли настолько большими за столь короткий промежуток времени и какова может быть связь с механизмами запуска джетов», — заключил Маркотулли.

Команда представила свою работу на 245-м заседании Американского астрономического общества в Национальном Харборе, штат Мэриленд, во вторник (14 января). Их исследование было опубликовано в тот же день в журнале Astrophysical Journal Letters.