Астрономы нашли самую далекую черную дыру

Группа ученых под руководством Эдуардо Баньядоса (Eduardo Bañados) сообщила об открытии квазара, имеющего красное смещение z = 7,54, то есть испустившего свет более тринадцати миллиардов лет назад. В центре квазара находится черная дыра с массой около 800 миллионов масс Солнца. Кроме того, ученые рассчитали, какую долю составлял ионизированный водород в молодой Вселенной, и выяснили, что в тот момент происходила активная реионизация вещества. Статья опубликована в Nature.

Квазары являются одними из самых ярких астрономических объектов, и к тому же их яркость практически не меняется со временем. По современным представлениям, квазары представляют собой ядра галактик на ранней стадии формирования, то есть массивные черные дыры, которые активно поглощают вещество. Из-за того, что при падении в черную дыру вещество разогревается, оно начинает излучать, причем очень сильно. В среднем светимость квазара примерно в десять триллионов раз больше, чем у Солнца.

Из-за огромной светимости квазары удобно использовать для изучения молодой Вселенной. Грубо говоря, чем дальше от нас находится объект, тем дольше от него шел свет и тем дальше в прошлое мы смотрим. С другой стороны, чем древнее источник света, тем сложнее его разглядеть, поэтому его исходная светимость должна быть довольно высока. Квазары хорошо подходят на роль таких источников. До последнего времени самым далеким известным квазаром был ULAS J1120+0641, имеющий красное смещение около z = 7,09, то есть появившийся примерно через 750 миллионов лет после Большого взрыва. В данной статье ученые сообщают об открытии квазара с z = 7,54, возраст которого почти на шестьдесят миллионов лет больше. Прочитать, что такое красное смещение, можно в этой статье, а пересчитать его в возраст объекта можно с помощью калькулятора.

Квазар J1342+0928 обнаружили в результате непрерывного поиска далеких объектов, проводимого в рамках проектов ALLWISE, UKIDSS и DECaLS. Из-за того, что при больших красных смещениях практически все излучение в видимой части спектра поглощается межзвездным газом, ученым пришлось использовать данные, собранные всеми тремя телескопами. Затем они подтвердили, что J1342+0928 действительно является квазаром, сняв его спектр с помощью спектрографа FIRE, установленного на 6,5-метровом оптическом Магеллановом телескопе Бааде. В результате ученым удалось разглядеть в спектре линии излучения Mg II, C III и C IV, соответствующие переходам между состояниями с различными значениями вращательной энергии. По изменению длин волн астрофизики определили красное смещение квазара (z = 7,54), а затем уточнили этот результат с помощью телескопа NOEMA.

Кроме того, ученые оценили светимость квазара и массу входящей в его состав черной дыры. Для этого они использовали тот факт, что ширина и высота линии излучения Mg II однозначно определяются этими параметрами. В результате суммарная светимость квазара составила 4×10¹⁷ светимостей Солнца, а масса черной дыры — около 800 миллионов масс Солнца. Для сравнения: масса сверхмассивной черной дыры в центре Млечного пути по разным оценкам составляет от двух до пяти миллионов солнечных масс. В то же время, астрономам известны черные дыры массой в десятки миллиардов солнечных. Рекорд принадлежит сверхмассивной черной дыре TON 618 в созвездии Гончих Псов, чья масса оценивается в 66 миллиардов масс Солнца.

Но большая масса у столь далекой (и столь древней) черной дыры вызывает особый интерес, и вот почему. По общепринятой сейчас модели развития Вселенной, звезды начали появляться только через 150 миллионов лет после Большого взрыва, соответственно, черные дыры тоже начали формироваться только после этого момента. С другой стороны, скорость роста черной дыры ограничена так называемым аккреционным пределом Эддингтона. Поэтому астрофизики более подробно изучили рост черной дыры квазара J1342+0928 и выяснили, что ее «предок» имел массу не меньше тысячи масс Солнца и образовался еще в момент z = 40, то есть через 65 миллионов лет после Большого взрыва. Таким образом, либо в молодой Вселенной существовали массивные черные дыры (например, первичные черные дыры), либо скорость их роста превышала предельную.

Также ученые рассчитали, какую долю от вещества Вселенной составлял в тот момент нейтральный (не ионизированный) водород. Для этого они исследовали, как сильно в излучении квазара подавлена линия излучения Лайман-альфа. Если нейтрального водорода было много, свет с такой длиной волны должен доходить заметно ослабленным, и по изменению его яркости можно определить, насколько сильно был ионизирован газ. Оказалось, что доля нейтрального водорода при возрасте Вселенной около 690 миллионов лет составляла примерно 0,6 ± 0,2, то есть процесс реионизации вещества был в самом разгаре.

Недавно ученые предложили искать древние черные дыры с помощью гравитационного детектора следующего поколения. Таким образом можно будет заглянуть в прошлое Вселенной вплоть до момента, в который ее возраст составлял всего сто миллионов лет. В том числе — прояснить прошлое открытой чрезвычайно массивной черной дыры.

Напомним, что самая далекая известная астрономам спиральная галактика имеет красное смещение около z = 2,5 (что соответствует возрасту примерно 10,4 миллиарда лет), а самая далекая галактика вообще расположена на z = 12 (13,4 миллиарда лет).

Дмитрий Трунин