Международная группа астрономов под руководством исследователей из университетов Васэда и Тохоку обнаружила в ранней Вселенной необычный квазар. В его центре находится одна из самых быстрорастущих сверхмассивных черных дыр из всех известных. Данные, полученные с помощью телескопа «Субару», выявили удивительное сочетание характеристик – квазар поглощает материю с исключительно высокой скоростью, одновременно испуская мощное рентгеновское излучение и запуская сильную радиострую. Существующие теории предполагают, что эти черты не должны проявляться вместе, что делает объект редкой и важной находкой. Наблюдения дают новое представление о том, как сверхмассивные черные дыры могли так быстро набрать массу на заре существования космоса.
Сверхмассивные черные дыры, чья масса в миллионы и миллиарды раз превышает массу Солнца, скрываются в центрах большинства галактик. Они растут, притягивая окружающий газ. Когда вещество закручивается по спирали, оно образует вращающийся аккреционный диск и может питать энергией компактную область чрезвычайно горячей плазмы – корону, являющуюся ключевым источником рентгеновских лучей. В некоторых случаях система также создает узкую струю, или джет, который ярко светится в радиодиапазоне. Когда черные дыры активно «питаются» и становятся чрезвычайно яркими, их называют квазарами. Один из главных вопросов современной астрофизики – как некоторым из этих гигантов удалось стать такими массивными на столь раннем этапе космической истории.
Одно из объяснений быстрого роста – так называемая сверэддингтоновская аккреция. В обычных условиях излучение, испускаемое падающим веществом, создает давление, которое отталкивает материю и ограничивает скорость роста черной дыры. Этот теоретический предел известен как предел Эддингтона. Однако предполагается, что в некоторых экстремальных условиях черные дыры могут на короткое время его превышать, что приводит к очень быстрому увеличению массы.
Чтобы проверить, происходило ли нечто подобное в ранней Вселенной, исследователи использовали спектрограф ближнего инфракрасного диапазона на телескопе «Субару». Проанализировав движение газа вблизи квазара, они оценили массу черной дыры. Результаты указывают на то, что объект, существовавший около 12 миллиардов лет назад, поглощает вещество со скоростью, примерно в 13 раз превышающей предел Эддингтона.
Уникальность этого объекта заключается в его поведении на разных длинах волн. Многие теоретические модели предсказывают, что во время сверэддингтоновского роста изменения во внутренней структуре аккреционного потока должны ослаблять рентгеновское излучение и подавлять активность джета. Однако этот квазар остается ярким в рентгеновских лучах и одновременно демонстрирует мощное радиоизлучение. Это необычное сочетание указывает на физические процессы, которые современные модели пока не могут полностью объяснить.
Ученые предполагают, что квазар может наблюдаться в короткий переходный период, возможно, после внезапного притока газа. Согласно этому сценарию, резкое увеличение доступного материала переводит черную дыру в сверэддингтоновское состояние. В течение ограниченного времени и корона, излучающая рентген, и радиоджет остаются высокоэнергетичными, прежде чем система постепенно перейдет в более типичный режим роста.
Если эта интерпретация верна, объект предоставляет редкий шанс изучить динамику роста черных дыр в ранней Вселенной – важный шаг к объяснению их стремительного формирования. Мощный радиосигнал также указывает на то, что джет несет достаточно энергии, чтобы влиять на свое окружение. Такие струи могут нагревать или рассеивать газ в родительской галактике, потенциально влияя на звездообразование и формируя совместную эволюцию галактик и их центральных черных дыр.
«Это открытие может приблизить нас к пониманию того, как сверхмассивные черные дыры так быстро сформировались в ранней Вселенной, – говорит ведущий автор статьи Сакико Обучи из Университета Васэда. – Мы хотим выяснить, что питает необычно сильное рентгеновское и радиоизлучение, и скрываются ли подобные объекты в данных наблюдений».
