Открытие далекого блазара подтверждает быстрое образование черных дыр в ранней Вселенной
Художественное представление яркого, очень раннего активного ядра галактики, обнаруженного Баньядосом и его коллегами, которое имеет фундаментальные последствия для роста черных дыр в первые миллиарды лет космической истории. Автор: NSF/AUI/NSF NRAO/B. Saxton
Астрономы обнаружили важную часть головоломки о том, как сверхмассивные черные дыры могли расти так быстро в ранней Вселенной: особый вид активного галактического ядра, настолько далекого, что его свету потребовалось более 12,9 миллиардов лет, чтобы достичь нас. Этот так называемый блазар служит статистическим маркером: его существование подразумевает наличие большой, но скрытой популяции подобных объектов, каждый из которых должен испускать мощные струи частиц.
The Astrophysical Journal (с англ. — «Астрофизический Журнал», сокр. ApJ, Astrophys. J.) — научный журнал, издаваемый в США, в котором публикуются статьи по астрофизике и астрономии. Основан в 1895 году астрономами Джорджем Хейлом и Джеймсом Килером. Википедия
Активные ядра галактик (AGN) — это чрезвычайно яркие центры галактик. Двигатели, вырабатывающие их огромную энергию, — это сверхмассивные черные дыры. Падение материи на такие черные дыры (аккреция) — самый эффективный механизм, известный физике, когда речь идет о высвобождении огромного количества энергии. Эта непревзойденная эффективность объясняет, почему AGN способны производить больше света, чем все звезды в сотнях, тысячах — или даже больше — галактик, вместе взятых, и в объеме пространства, меньшем, чем наша собственная Солнечная система.
По меньшей мере 10% всех AGN, как полагают, испускают сфокусированные пучки частиц высокой энергии, известные как струи. Эти струи вылетают из непосредственной близости от черной дыры в двух противоположных направлениях, поддерживаемые и направляемые магнитными полями в «аккреционном диске» материала: диске, образованном газом, закручивающимся вокруг черной дыры и падающим в нее. Чтобы мы увидели AGN как блазар, должно произойти что-то очень невероятное: Земля, наша база наблюдений, должна находиться в нужном месте, чтобы струя AGN была направлена прямо на нас.
Результатом является астрономический аналог того, как если бы кто-то светил вам прямо в глаза лучом очень яркого фонарика: особенно яркий объект в небе. Характерно для блазара, что мы также видим быстрые изменения яркости на временных масштабах в дни, часы или даже меньше — следствие случайных изменений в закрученном аккреционном диске у основания джета и нестабильности во взаимодействии джета между магнитными полями и заряженными частицами.
Обнаружение активных ядер галактик в очень ранней Вселенной
Новое открытие стало результатом систематического поиска активных ядер галактик в ранней Вселенной, который проводил Эдуардо Баньядос, руководитель группы в Институте астрономии Общества Макса Планка, специализирующийся на изучении первого миллиарда лет космической истории, и международная группа астрономов.
Поскольку свету требуется время, чтобы достичь нас, мы видим далекие объекты такими, какими они были миллионы или даже миллиарды лет назад. Для более далеких объектов так называемое космологическое красное смещение, вызванное космическим расширением, смещает их свет на гораздо более длинные длины волн, чем длины волн, на которых был испущен свет. Баньядос и его команда использовали этот факт, систематически ища объекты, которые были смещены в красную область настолько, что они даже не отображались в обычном видимом свете (в данном случае Dark Energy Legacy Survey), но которые были яркими источниками в радиообзоре (3 GHz VLASS survey).
Среди 20 кандидатов, которые соответствовали обоим критериям, только один, обозначенный как J0410–0139, соответствовал дополнительному критерию, демонстрируя значительные колебания яркости в радиорежиме, что повышает вероятность того, что это был блазар.
Гала́ктика (др.-греч. γᾰλαξίας «Млечный Путь» от др.-греч. γάλα, γάλακτος «молоко») — гравитационно связанная система из звёзд, звёздных скоплений, межзвёздного газа и пыли, тёмной материи, планет. Все объекты в составе галактики участвуют в движении относительно общего центра масс. Википедия
Наблюдения также дали расстояние до AGN (через красное смещение) и даже обнаружили следы родительской галактики, в которую встроено AGN. Свет от этого активного галактического ядра дошел до нас за 12,9 миллиарда лет (z=6,9964), неся информацию о Вселенной, какой она была 12,9 миллиарда лет назад.
«Где один, там и сотня других»
По словам Баньядоса, «тот факт, что J0410–0139 является блазаром, струей, которая по чистой случайности направлена прямо на Землю, имеет непосредственные статистические последствия. В качестве аналогии из реальной жизни представьте, что вы читаете о ком-то, кто выиграл 100 миллионов долларов в лотерею. Учитывая, насколько редок такой выигрыш, вы можете сразу сделать вывод, что должно быть гораздо больше людей, которые участвовали в этой лотерее, но не выиграли такую непомерную сумму.
«Аналогичным образом, обнаружение одного активного галактического ядра со струей, направленной прямо на нас, подразумевает, что в то время в тот период космической истории должно было быть много активных галактических ядер со струями, которые не были направлены на нас».
Короче говоря, по словам Сильвии Белладитты, постдокторанта MPIA и соавтора настоящей публикации, «там, где есть один, есть и еще сотня».
Свету от предыдущего рекордсмена самого дальнего блазара потребовалось примерно на 100 миллионов лет меньше, чтобы достичь нас (z=6,1). Дополнительные 100 миллионов лет могут показаться короткими в свете того факта, что мы оглядываемся назад более чем на 12 миллиардов лет, но они имеют решающее значение. Это время, когда Вселенная быстро меняется. За эти 100 миллионов лет сверхмассивная черная дыра может увеличить свою массу на порядок.
Согласно современным моделям, число AGN должно было увеличиться в пять-десять раз за эти 100 миллионов лет. Обнаружение того, что такой блазар существовал 12,8 миллиарда лет назад, не было бы неожиданным. Обнаружение того, что такой блазар существовал 12,9 миллиарда лет назад, как в этом случае, — это совсем другое дело.
Помогаем черным дырам расти с 12,9 млрд лет назад
Наличие целой популяции AGN с джетами в то конкретное раннее время имеет значительные последствия для космической истории и роста сверхмассивных черных дыр в центрах галактик в целом. Черные дыры, чьи AGN имеют джеты, потенциально могут набирать массу быстрее, чем черные дыры без джетов.
Вопреки распространенному мнению, газу трудно упасть в черную дыру. Естественное действие газа — это вращение вокруг черной дыры, подобно тому, как планета вращается вокруг Солнца, с возрастающей скоростью по мере приближения газа к черной дыре («сохранение момента импульса»). Чтобы упасть, газу необходимо замедлиться и потерять энергию. Магнитные поля, связанные со струей частиц, которые взаимодействуют с закрученным диском газа, могут обеспечить такой «механизм торможения» и помочь газу упасть.
Это означает, что последствия нового открытия, вероятно, станут строительным блоком любой будущей модели роста черных дыр в ранней Вселенной: они подразумевают существование большого количества активных галактических ядер 12,9 миллиарда лет назад, которые имели струи и, следовательно, соответствующие магнитные поля, которые могут способствовать росту черных дыр со значительной скоростью.
Больше информации: Eduardo Bañados et al, A blazar in the epoch of reionization, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02431-4
Eduardo Bañados et al, [C ii] Properties and Far-infrared Variability of az = 7 Blazar, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad823b
Больше информации: Eduardo Bañados et al, A blazar in the epoch of reionization, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02431-4
Eduardo Bañados et al, [C ii] Properties and Far-infrared Variability of az = 7 Blazar, The Astrophysical Journal Letters (2024). DOI: 10.3847/2041-8213/ad823b
Источник: Max Planck Society
0 комментариев