Большой взрыв: обнаружена «черная дыра», возникшая почти одновременно с Вселенной ( Германия)

Большой взрыв произошел примерно 13,8 миллиарда лет назад — во времена, когда времени еще не существовало, и в месте, которого также еще не существовало. Тогда появились пространство, время и материя, возникшие из бесконечно горячей, тяжелой, плотной и маленькой точки.

В то же самое время пространство начало расширяться — со скоростью, в триллионы раз превышающей скорость света, причем далеко за пределы той Вселенной, которую можно наблюдать в наше время.

Лишь через 500 миллионов лет возникли первые звезды, галактики и «черные дыры». Все более стремительное расширение Вселенной и отдаление разных галактик друг от друга астрономы могут измерять, вычисляя их космологическое красное смещение.

Наблюдая за тем или иным источником света, они измеряют, насколько его спектральные линии сдвигаются к красному краю электромагнитного спектра.

Локализация самого мощного из всех известных квазаров

Вычислив красное смещение, астрономы могут рассчитать возраст и удаленность наблюдаемого объекта. При этом они руководствуются простой формулой: чем выше показатели, тем дальше от нас находится небесное тело и тем выше скорость его движения.

Ценность этого параметра доказывает недавнее открытие международной группы астрономов, о котором написал журнал Nature в своем последнем номере.

Ученым удалось на основе показателей красного смещения, архивных данных, а также результатов продолжительных наблюдений с помощью телескопов определить местонахождение наиболее яркого квазара, возникшего еще на заре существования Вселенной, движимого чрезвычайно тяжелой «черной дырой».

Квазар (квазизвездный радиоисточник — quasistellar radio source) представляет собой крайне насыщенную энергией и ярко светящуюся область в центре активной галактики, общая сила света которой зависит от активности сверхтяжелой «черной дыры».

До сих пор было зарегистрировано около полумиллиона квазаров

Такого рода энергетические монстры освещают не только галактику Вирца, в которой они находятся, но и производят общий электромагнитный спектр — от радиоволн до гамма-волн, а их излучение превышает по яркости общее излучение тысяч крупных галактик.

До сих пор астрономам удалось обнаружить и внести в соответствующие реестры порядка полумиллиона квазаров, причем большинство из них — в рамках обширной и продолжающейся до сих пор кампании по наблюдению за небесными телами Sloan Digital Sky Survey (SDSS). В их число входят 40 квазаров, находящиеся на расстоянии более чем 12,7 миллиарда световых лет от нас, и, по меньшей мере, одна «черная дыра», масса которой равна тысяче масс Солнца. Теперь в каталог внесен также новый квазар под номером SDSSJ0100+2802. Однако то, что этот квазар отдален от нас на расстояние в 12,8 миллиарда световых лет и возник всего через 900 миллионов лет после «большого взрыва», еще не делает его уникальным.

«Этот квазар неповторим»

Есть и другие квазары, которые могут «похвастаться» примерно таким же возрастом. То же самое можно сказать и по поводу массы других квазаров: SDSSJ0100+2802 является одним из крупнейших, но не самым крупным.

«Есть пять еще более тяжелых квазаров, но они возникли не так скоро после зарождения Вселенной», — говорит Кристиан Вейе (Christian Veillet), директор расположенной в американском штате Аризона Большой Бинокулярной Телескопической Обсерватории (Large Binocular Telescope Observatoy), сотрудники которой причастны к последнему открытию.

А уникальным новый квазар можно назвать потому, что его возраст сочетается с невероятной яркостью, а также с массой его центральной «черной дыры». Это подтвердил, в частности, руководитель проекта и один из авторов статьи в журнале Nature Сю-Бинь Ву (Xue-bing Wu) из Пекинского университета: «Этот квазар единственный в своем роде. Обнаружив его, мы были поражены, когда выяснилось, что такой яркий и тяжелый квазар возник всего лишь через 900 миллионов лет после Большого взрыва».

Других столь старых и столь же ярких квазаров нет

Имея яркость, превышающую яркость Солнца в 420 триллионов раз, этот квазар светит в семь раз ярче, чем наиболее удаленный от нас — на расстояние в 13 миллиардов световых лет.

Поскольку галактика Вирца из-за этой яркости квазара естественным образом остается в тени, исследователи не знали о ее размере, о количестве звезд в ней и об их общей массе. SDSSJ0100+2802 имеет массу в 12 миллиардов раз тяжелее Солнца и является одним из самых компактных «тяжеловесов» своего класса.

Для сравнения: Sagittarius A, «черная дыра» в самом сердце нашего «Млечного пути», «всего лишь» в 4,5 миллиона раз тяжелее Солнца. А имея показатель красного смещения в 6,3, квазар SDSSJ0100+2802 является вообще рекордсменом: ни один другой квазар, возникший на ранней стадии существования Вселенной, имеющий настолько массивную «черную дыру» и настолько большое красное смещение, не светится так ярко.

«Черная дыра» всегда была крайне активна

Однако, несмотря на все эти характеристики в превосходной степени, астрономы спорят по поводу неожиданно высоких показателей. «Как такое может быть, чтобы сверхтяжелая “черная дыра” так стремительно росла в такой молодой Вселенной? Как соотносится такая огромная “черная дыра” с областью вокруг нее и со всей галактикой Вирта?», —   спрашивает Сяохуэй Фан (Xiaohui Fan) из обсерватории Стюарда (Steward Observatory) при Аризонском университете, один из авторов статьи в Nature.

Фуян Бьян (Fuyan Bian), еще один участник исследования, представляющий Австралийский национальный университет (Australian National University) из Канберры, вторит коллегам: «Столь быстрый рост настолько большой “черной дыры” очень трудно объяснить с помощью современных теоретических моделей». Однако можно с уверенностью сказать, что «черная дыра» SDSSJ0100+2802 всегда была весьма активна.

«Черные дыры», возникающие на месте погибших тяжелых звезд, «засасывают» любые формы материи и энергии. Все, что приближается к ним достаточно близко, оседает на аккреционном диске, окружающем «черную дыру».

Сю-Бинь Ву и сотоварищи следуют новой стратегии

В процессе аккреции крутящийся диск нагревается до невообразимых температур, и от него исходит мощнейшее излучение в видимом свете и (почти) на всех других частотах волн электромагнитного спектра.

Теоретически возможно, что «черная дыра» общей массой в десять с лишним миллиардов Солнц образовалась через миллиард лет после возникновения Вселенной, объясняет Брэм Венеманс (Bram Venemans) из гейдельбергского Института имени Макса Планка (Max-Planck-Institut) в Nature. «Но действительно необычно, что настолько тяжелая “черная дыра” возникла сразу после появления Вселенной. Должно быть, она на протяжении большей части своего существования максимально активно поглощала энергию».

Чтобы обнаружить квазары с высоким красным смещением, Сю-Бинь Ву и его коллеги следовали новой стратегии. Сначала они тщательно исследовали архив SDSS, проверили спектры в оптическом и близком инфракрасном цвете и отобрали кандидатов с характерным красным смещением.

Данные со спутника NASA Wise также учитываются

Кроме того, ученые проанализировали данные со спутников NASA Wise и 2Mass. В конце декабря 2013 года они также детально изучили оптические спектры квазаров с помощью телескопа Lijiang диаметром 2,4 метра, установленного в китайском Юннане.

И наконец, до октября 2014 года они в рамках международного проекта совместно с США и Чили провели наблюдения с помощью трех других больших телескопов и добились значительного успеха.

«Результаты наших исследований указывают на то, что на ранней стадии существования Вселенной “черные дыры” в квазарах росли стремительнее, чем их галактика Вирца. Однако чтобы доказать эту теорию, нам предстоят дальнейшие исследования», — признал Юрий Белецкий из вашингтонского Научного института Карнеги (Carnegie Institution for Science), участвовавший в этой работе.

Продолжающееся исследование должно дать ответы на дальнейшие вопросы

Руководитель данного исследования Сю-Бинь Ву убежден, что в процессе работы возникнут новые вопросы, в связи с чем нынешняя модель развития галактик на начальной стадии существования космоса еще претерпят изменения: «Я уверен, что после нашего открытия многие астрономы продолжат поиски новых “черных дыр”, похожих на нашу».

Таким образом, нет ничего удивительного в том, что SDSSJ0100+2802 вскоре вновь окажется в центре внимания ученых. «Наше исследование продолжается, и в ходе него мы используем космический телескоп Hubble. Он вполне может помочь нам найти дальнейшие ответы на возникающие вопросы», — добавил в свою очередь Сяохуэй Фан.