Обнаружена нарушающая правила сверхмассивная черная дыра в ранней Вселенной

Художественное представление системы со сверхмассивной черной дырой. Падающий газ формирует яркую корону вблизи черной дыры. В некоторых системах формируется джет. Автор: NASA/JPL-Caltech

Международная команда исследователей под руководством ученых из Университета Васэда и Университета Тохоку обнаружила необычный квазар в ранней Вселенной, содержащий одну из самых быстрорастущих сверхмассивных черных дыр, известных в этом масштабе масс. Наблюдения на телескопе «Субару» выявили поразительное, нарушающее правила сочетание: квазар демонстрирует чрезвычайно быстрое поглощение вещества, одновременно ярко сияя в рентгеновских лучах и производя сильное радиоизлучение от джета — черты, которые, согласно многим теоретическим моделям, не должны сосуществовать. Это неожиданное сочетание явлений предлагает новый взгляд на то, как сверхмассивные черные дыры росли в молодой Вселенной.

Светимость квазара (вертикальная ось), которая отражает скорость роста черной дыры, в сравнении с массой черной дыры (горизонтальная ось) для вновь обнаруженного объекта (eFEDS J084222.9+001000; красная звезда) и ранее наблюдавшихся объектов (фиолетовые и зеленые символы). Сплошная линия указывает теоретический верхний предел скорости аккреции (предел Эддингтона), а пунктирная линия — аккрецию газа в десять раз выше этого предела. Точные измерения массы черной дыры, благодаря наблюдениям на телескопе «Субару», показали, что этот объект демонстрирует сверхэддингтоновскую аккрецию, превышая предел Эддингтона. Автор: NAOJ

Чтобы проверить, происходит ли такой экстремальный рост в ранней Вселенной, команда использовала ближний инфракрасный спектрограф (MOIRCS) телескопа «Субару» для измерения движения газа вблизи квазара и оценки массы черной дыры по линии излучения Mg II (2800 Å). В результате команда обнаружила сверхмассивную черную дыру в ранней Вселенной, существовавшую примерно 12 миллиардов лет назад, скорость аккреции которой, согласно рентгеновским наблюдениям, достигает примерно 13 пределов Эддингтона.

Исследование опубликовано в The Astrophysical Journal.

Сюрприз: яркие рентгеновские лучи и мощный джет

Особенно поразительным в этом объекте является его поведение в разных диапазонах волн. Во время сверхэддингтоновских фаз многие модели предсказывают, что структура внутреннего потока меняется таким образом, что может снизить наблюдаемое рентгеновское излучение, а джеты могут быть менее выраженными.

Однако этот квазар ярко сияет как в рентгеновских, так и в радиоволнах, что указывает на его экстремальную скорость роста при одновременном поддержании активной короны и мощного джета. Это неожиданное сочетание намекает на физические механизмы, еще не полностью учтенные современными моделями экстремальной аккреции и формирования джетов.

Черная дыра в переходной стадии после всплеска аккреции

Команда предполагает, что объект, возможно, был зафиксирован во время короткоживущей переходной стадии — например, после внезапного всплеска притока газа. В этой картине быстрый всплеск аккреции мог перевести систему в сверхэддингтоновское состояние, в то время как яркая рентгеновская корона и сильный джет остаются одновременно активными в течение ограниченного времени, прежде чем система перейдет к более типичному режиму.

Если это верно, данное открытие предлагает редкое окно для наблюдений за изменчивым во времени ростом черных дыр в ранней Вселенной — важный шаг к пониманию того, как массивные черные дыры собирались так быстро.

Почему это важно для эволюции галактик

Сильное радиоизлучение квазара подразумевает наличие джета, достаточно энергичного, чтобы влиять на окружающую среду. Такие джеты могут впрыскивать энергию в галактику-хозяина, потенциально регулируя звездообразование и формируя совместную эволюцию галактик и черных дыр. Связь между сверхэддингтоновским ростом и обратной связью, вызванной джетами, остается плохо изученной, и этот объект предоставляет новый эталон для проверки этих идей в ранней Вселенной.

Ведущий автор исследования Сакико Обути (Университет Васэда) заявила:

«Это открытие может приблизить нас к пониманию того, как сверхмассивные черные дыры сформировались так быстро в ранней Вселенной. Мы хотим исследовать, что питает необычно сильные рентгеновские и радиоизлучения, и скрывались ли подобные объекты в данных обзоров».

Источник: Subaru Telescope

Интересный факт: обнаруженный квазар находится на расстоянии около 12 миллиардов световых лет, а это означает, что мы наблюдаем его таким, каким он был, когда возраст Вселенной составлял лишь около 1.8 миллиарда лет. Это делает его ценным «окном» в эпоху реионизации, когда формировались первые звезды и галактики.