Международная группа астрономов обнаружила убедительные доказательства того, что материал вокруг сверхмассивных чёрных дыр не оставался неизменным на протяжении всей истории Вселенной. Эти выводы, представленные в исследовании, опубликованном в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society под руководством учёных из Национальной обсерватории Афин, указывают на то, что структура и поведение этого вещества, возможно, смещались на протяжении миллиардов лет. Если результаты подтвердятся, они поставят под сомнение фундаментальную идею в астрономии, которая определяла исследования почти 50 лет.
Квазары, впервые обнаруженные в 1960-х годах, входят в число самых ярких известных объектов. Их невероятное свечение обусловлено сверхмассивными чёрными дырами, которые притягивают окружающую материю. По мере того как это вещество спирально закручивается под действием огромной гравитации, оно образует вращающуюся дискообразную структуру, прежде чем упасть в чёрную дыру. Трение внутри этого аккреционного диска нагревает материю до экстремальных температур. В результате квазары могут излучать в 100–1000 раз больше света, чем целая галактика, состоящая примерно из 100 миллиардов звёзд. Эта ослепительная яркость позволяет квазарам затмевать свои родительские галактики и делает их видимыми для телескопов на огромных космических расстояниях.
Светящийся диск вокруг чёрной дыры генерирует огромное количество ультрафиолетового излучения. Учёные полагают, что это излучение играет ключевую роль в образовании ещё более энергичных рентгеновских лучей, испускаемых квазарами. Когда ультрафиолетовые лучи распространяются наружу, они проходят через облака высокоэнергичных частиц, расположенных очень близко к чёрной дыре, в области, известной как «корона». При взаимодействии с этими частицами ультрафиолетовый свет получает энергию и превращается в интенсивное рентгеновское излучение, которое затем может быть обнаружено космическими обсерваториями.
Поскольку оба типа света исходят из одного и того же чёрной дыры, астрономы давно знают о тесной связи между ультрафиолетовым и рентгеновским излучением квазаров. Как правило, более яркое ультрафиолетовое излучение сопровождается более сильным рентгеновским излучением. Эта взаимосвязь, выявленная почти пять десятилетий назад, предоставила важные ключи к пониманию физических условий вблизи сверхмассивных чёрных дыр. Новое исследование ставит под сомнение предположение об универсальности этой связи, которое подразумевает, что структура вещества вокруг чёрных дыр по сути одинакова везде и во все времена во Вселенной. Вместо этого исследователи обнаружили, что в более молодом возрасте Вселенной – примерно в половину её нынешнего возраста – взаимосвязь между ультрафиолетовым и рентгеновским излучением значительно отличалась от той, что наблюдается в современных ближайших квазарах. Это указывает на изменения во взаимодействии аккреционного диска и короны за последние примерно 6,5 миллиардов лет. «Подтверждение неуниверсального отношения рентгеновского излучения к ультрафиолетовому со временем существования космоса довольно удивительно и бросает вызов нашему пониманию того, как сверхмассивные чёрные дыры растут и излучают», – отметил доктор Антонис Георгакакис, один из авторов исследования. «Мы проверяли результат, используя различные подходы, но он, похоже, остаётся устойчивым».
Для получения своих выводов команда объединила свежие рентгеновские наблюдения с телескопа eROSITA с архивными данными рентгеновской обсерватории XMM-Newton Европейского космического агентства. Эти наборы данных позволили учёным проанализировать рентгеновские и ультрафиолетовые излучения исключительно большой выборки квазаров. Широкий и последовательный охват неба, обеспечиваемый eROSITA, оказался особенно важным. Это позволило команде изучать популяции квазаров в масштабах, которые ранее были недоступны. «Ключевое достижение здесь – методологическое», – объяснила постдокторант Мария Чира из Национальной обсерватории Афин, руководившая исследованием. «Обзор eROSITA огромен, но относительно неглубок – многие квазары обнаружены лишь с несколькими рентгеновскими фотонами. Объединив эти данные в надёжной байесовской статистической основе, мы смогли выявить тонкие тенденции, которые в противном случае остались бы скрытыми».
Идея о том, что взаимосвязь ультрафиолетового и рентгеновского излучения в квазарах универсальна, лежит в основе некоторых методов, использующих квазары в качестве «стандартных свечей» для картирования формы Вселенной и изучения тёмной материи и тёмной энергии. Новые результаты предполагают, что учёным необходимо проявлять осторожность, поскольку предположение о неизменной среде чёрной дыры на протяжении космического времени может оказаться неверным.
Предстоящие полномасштабные обзоры неба eROSITA позволят астрономам наблюдать ещё более тусклые и далёкие квазары. Объединяя эти будущие наблюдения с рентгеновскими и многоволновыми исследованиями нового поколения, учёные надеются определить, отражают ли наблюдаемые изменения реальную физическую эволюцию или же на них влияют особенности сбора данных. Эти усилия обещают более глубокое понимание того, как сверхмассивные чёрные дыры питают самые яркие объекты во Вселенной и как их поведение трансформировалось на протяжении космического времени.
