Охота на сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной
Известно, что сегодня во Вселенной преобладают сверхмассивные черные дыры (SMBH) — черные дыры с массой, в миллион раз превышающей солнечную. Однако пока неясно, когда, где и как они образовались на протяжении 13,8 миллиардов лет космической истории. Наблюдения последних нескольких десятилетий показали, что в центре каждой галактики есть SMBH, а масса черной дыры почти всегда составляет одну тысячную массы родительской галактики. Эта тесная связь подразумевает, что галактики и сверхмассивные черные дыры эволюционировали вместе. Таким образом, выявление происхождения SMBH имеет решающее значение не только для понимания самих SMBH, но и для выяснения процессов формирования галактик, основных составляющих видимой Вселенной.
Ключ к решению этой проблемы лежит в ранней Вселенной, где время, прошедшее с момента Большого взрыва (т. е. начала Вселенной), составило менее миллиарда лет. Благодаря конечной скорости света мы можем оглянуться в прошлое, наблюдая за далекой Вселенной. Существовали ли сверхмассивные черные дыры, когда Вселенной было всего миллиард лет или меньше? Возможно ли, чтобы черная дыра приобрела столь большую массу (превышающую миллион солнечных масс, а иногда достигающую миллиардов солнечных масс) за такое короткое время? Если да, то каковы лежащие в основе этого физические механизмы и условия? Чтобы приблизиться к происхождению SMBH, нам необходимо наблюдать их и сравнивать их свойства с предсказаниями теоретических моделей. И для этого нам сначала нужно найти, где они находятся на небе.
Для настоящего исследования мы использовали телескоп Субару на вершине Маунакеа, Гавайи. Одним из самых больших преимуществ Subaru является возможность широкоугольного наблюдения, которая особенно подходит для наших целей. Поскольку SMBH не излучают свет, мы искали особый класс, называемый «квазарами», — SMBH со светящимися окраинами, где падающее вещество выделяет гравитационную энергию. Мы наблюдали обширную область неба, в 5000 раз превышающую полную Луну, и успешно обнаружили 162 квазара, находящихся в ранней Вселенной. В частности, 22 из них жили в эпоху, когда Вселенной было менее 800 миллионов лет — самый древний период, в котором на сегодняшний день были признаны квазары. Большое количество обнаруженных нами квазаров позволило нам определить наиболее фундаментальную меру, называемую «функцией светимости», которая описывает пространственную плотность квазаров как функцию энергии излучения. Мы обнаружили, что квазары формировались очень быстро в ранней Вселенной, тогда как общая форма функции светимости (за исключением амплитуды) оставалась неизменной с течением времени.
Такое характерное поведение функции светимости налагает строгие ограничения на теоретические модели, которые в конечном итоге могут воспроизвести все наблюдаемые и описать происхождение СМЧД. Наше исследование опубликовано в The Astrophysical Journal Letters. С другой стороны, было известно, что на ранней стадии Вселенная пережила крупный фазовый переход, называемый «космической реионизацией». Прошлые наблюдения позволяют предположить, что в этом событии было ионизировано все межгалактическое пространство. Источник энергии ионизации все еще обсуждается, а излучение квазаров рассматривается как многообещающий кандидат. Интегрировав приведенную выше функцию светимости, мы обнаружили, что квазары излучают 1028 фотонов в секунду в единице объема в 1 световой год на стороне ранней Вселенной. Это менее 1% фотонов, необходимых для поддержания ионизированного состояния межгалактического пространства в то время, и, таким образом, указывает на то, что квазары внесли лишь незначительный вклад в космическую реионизацию. Критически необходимы другие источники энергии, которыми, согласно другим недавним наблюдениям, может быть интегрированное излучение массивных горячих звезд в формирующихся галактиках.
