Раскрывая секреты первых квазаров: как они бросают вызов законам физики, чтобы расти

Представление, созданное искусственным интеллектом, аккрецирующей сверхмассивной черной дыры, окруженной газом, который движется к ней по спирали вдоль экваториальной плоскости (аккреционный диск) и испускает мощные ветры материи по мере своего падения. Это представление основано на концепции художника из NASA, который иллюстрирует сверхмассивную черную дыру с массой в миллионы или миллиарды раз больше массы нашего Солнца. Автор: Emanuela Tortosa

В ходе исследования, проведенного под руководством ученых из Национального института астрофизики (INAF), была проанализирована выборка из 21 квазара, входящих в число самых далеких из когда-либо обнаруженных, наблюдавшихся в рентгеновском диапазоне космическими телескопами XMM-Newton и Chandra.

Результаты показывают, что сверхмассивные черные дыры в центре этих титанических квазаров, впервые образовавшиеся на заре космоса, могли достичь своих необычайных масс в результате очень быстрой и интенсивной аккреции, что дает правдоподобное объяснение их существования на ранних стадиях развития Вселенной.

Квазары — это активные галактики, питаемые центральными сверхмассивными черными дырами (известными как активные ядра галактик), которые излучают огромное количество энергии, притягивая материю. Они чрезвычайно яркие и далеки от нас. В частности, квазары, рассмотренные в этом исследовании, являются одними из самых далеких объектов, когда-либо наблюдавшихся, начиная с того времени, когда Вселенной было менее миллиарда лет.

В данной работе анализ рентгеновского излучения этих объектов выявил совершенно неожиданное поведение сверхмассивных черных дыр в их центрах: обнаружилась связь между формой рентгеновского излучения и скоростью ветров вещества, выбрасываемого квазарами.

Эта связь связывает скорость ветра, которая может достигать тысяч километров в секунду, с температурой газа в короне, области, которая испускает рентгеновские лучи ближе всего к черной дыре. Таким образом, корона оказалась связана с мощными механизмами аккреции самой черной дыры.

Квазары с низкоэнергетическим рентгеновским излучением и, следовательно, с более низкой температурой в короне демонстрируют более быстрые ветры. Это указывает на очень быструю фазу роста, которая превышает физический предел аккреции материи, называемый «пределом Эддингтона», поэтому эта фаза называется «супер-Эддингтон». Наоборот, квазары с более высокоэнергетическим рентгеновским излучением, как правило, демонстрируют более медленные ветры.

«Наша работа показывает, что сверхмассивные черные дыры в центре первых квазаров, образовавшихся в течение первого миллиарда лет жизни Вселенной, на самом деле могли очень быстро увеличивать свою массу, бросая вызов ограничениям физики», — говорит Алессия Тортоса, ведущий автор исследования и научный сотрудник INAF в Риме.

«Открытие этой связи между рентгеновским излучением и ветрами имеет решающее значение для понимания того, как такие большие черные дыры могли образоваться за столь короткое время, тем самым предоставляя конкретную подсказку для решения одной из величайших загадок современной астрофизики».

Результат был достигнут в основном за счет анализа данных, собранных с помощью космического телескопа XMM-Newton Европейского космического агентства (ЕКА), который позволил провести около 700 часов наблюдений за квазарами.

Большая часть данных, собранных в период с 2021 по 2023 год в рамках многолетней программы XMM-Newton Heritage Program под руководством Луки Заппакосты, исследователя из INAF в Риме, является частью проекта HYPERION, целью которого является изучение сверхярких квазаров во время космической зари Вселенной. Обширная кампания по наблюдению проводилась под руководством группы итальянских ученых.

«В программе HYPERION мы сосредоточились на двух ключевых факторах: с одной стороны, на тщательном отборе квазаров для наблюдения, выбирая титанов, то есть те, которые накопили как можно больше массы, и с другой стороны, на глубоком изучении их свойств в рентгеновских лучах, чего никогда ранее не делали на таком большом количестве объектов из космической зари», — говорит Лука Заппакоста, исследователь из INAF в Риме.

«Мы сорвали джекпот! Результаты, которые мы получаем, действительно неожиданны, и все они указывают на суперэддингтоновский механизм роста черных дыр».

Это исследование дает важную информацию для будущих рентгеновских миссий, таких как ATHENA (ESA), AXIS и Lynx (NASA), запуск которых запланирован между 2030 и 2040 годами.

Полученные результаты будут полезны для совершенствования наблюдательных инструментов следующего поколения и для определения лучших стратегий исследования черных дыр и активных ядер галактик в рентгеновских лучах в более отдаленные космические эпохи. Это ключевые элементы для понимания формирования первых галактических структур в первичной Вселенной.

Больше информации: A. Tortosa et al, HYPERION. Shedding light on the first luminous quasars: A correlation between UV disc winds and X-ray continuum., Astronomy & Astrophysics (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202449662