Ученым удалось обнаружить квазар, находящийся на рекордно далеком расстоянии от Земли — примерно 13,03 миллиарда световых лет. Объект, получивший обозначение J031343.84-180636.4 (кратко — J0313-1806), в тысячу раз ярче, чем вся галактика Млечный Путь, а основу его составляет сверхмассивная черная дыра, которая в 1,6 миллиарда раз массивнее Солнца. Существование такой черной дыры всего через 670 миллионов лет после Большого взрыва представляет собой серьезный вызов теоретическим моделям развития сверхмассивных черных дыр.
«Квазары» («квазизвездные радиоисточники») были впервые замечены в конце 1950-х годов. Они отличались удивительно мощным излучением в радиодиапазоне и очень малыми угловыми размерами, так что их сперва сочли аналогом звезд. В видимом диапазоне квазары были очень слабыми или вовсе не обнаруживались. Однако спектры квазаров выглядели очень странно, в них не удавалось определить спектральные линии химических элементов. Загадку квазаров решил в 1963 году астроном Мартин Шмидт из Нидерландов, который определил, что в спектрах квазаров присутствует настолько сильное красное смещение, что расстояние, отделяющее их от наблюдателя, огромно. Квазары — не звезды нашей галактики, а объекты, находящиеся далеко за ее пределами, но тем не менее способные служить сильным источником излучения. Сейчас известно, что расстояние до квазаров может достигать миллиардов световых лет.
В том же году Александру Шарову и Юрию Ефремову впервые удалось обнаружить переменность блеска квазаров. По характеру переменности ученые сделали вывод, что квазары — сравнительно небольшие объекты, размером примерно с Солнечную систему. Что же дает им энергию для излучения, сравнимого с излучением целых галактик? Объяснить это смогли Яков Зельдович и Эдвин Солпитер, которые предположили, что квазары представляют собой черные дыры, только не звездной массы, а существенно бóльшие. Непосредственным источником их излучения служит, как и у черных дыр в двойных системах, аккреция падающего на черную дыру вещества. Размер черной дыры массой в 50 миллионов масс Солнца будет равен примерно одной астрономической единице (расстоянию от Земли до Луны), что вполне годится для масштабов квазаров. Поэтому, согласно современному определению, квазары — это активные ядра галактик, где сверхмассивная черная дыра окружена аккреционным диском из поглощаемого ею вещества Из-за своей огромной энергии квазары становятся одними из самых ярких источников во Вселенной, часто превосходя свои родительские галактики.
Хотя .квазар J0313-1806 всего на 20 миллионов световых лет дальше, чем предыдущий рекордсмен ULAS J134208.10 + 092838.6, его черная дыра примерно вдвое тяжелее. «Это самое раннее свидетельство того, как сверхмассивная черная дыра влияет на галактику вокруг нее, — говорит ведущий автор исследования Фэйгэ Ван (Feige Wang), астроном из Обсерватории Стюарда в Университете Аризоны. — Из наблюдений за менее далекими галактиками мы знаем, что такое должно происходить, но мы никогда не видели, чтобы это случалось на столь раннем этапе существования Вселенной». Рекордно далекие квазары имеют решающее значение для понимания того, как образовались самые ранние черные дыры, и для изучения эпохи реионизации — последнего крупного фазового перехода нашей Вселенной, когда возникли галактики, их скопления, газопылевые туманности и первые звезды.
Квазар J0313-1806 был выявлен при помощи автоматического телескопа Pan-STARRS 1 и UKIRT Infrared Deep Sky Survey на Гавайях. После того, как астрономы выяснили его принадлежность к квазарам, они получили высококачественные спектры от Обсерватории Кека и Gemini North. «Измерение спектральных линий газа, окружающего аккреционный диск квазара, позволяет определить массу черной дыры и изучить, как ее быстрый рост влияет на ее окружающее пространство, — рассказывает профессор Аарон Барт (Aaron Barth) из Калифорнийского университета в Ирвайне. — Для столь далеких квазаров наиболее важные спектральные линии смещены в область ближнего инфракрасного диапазона, и спектрограф NIRES Обсерватории Кека служит отличным инструментом для этих наблюдений».
Огромная масса черной дыры J0313-1806 на столь раннем этапе истории Вселенной исключает две теоретические модели образования таких объектов. В первой из них предполагается, что отдельные массивные звезды взрываются как сверхновые и коллапсируют в черные дыры, которые затем сливаются в сверхмассивные черные дыры. Согласно второй модели, плотные скопления звезд коллапсируют в сверхмассивную черную дыру. Однако в обоих случаях этот процесс занимает слишком много времени, чтобы к тому возрасту, в каком мы ее наблюдаем, образовалась черная дыра такой массы, как J0313–1806. Профессор Сяохуй Фань (Xiaohui Fan) считает, что следует рассмотреть сценарий, при котором черная дыра возникает при коллапсе непосредственно первичного газообразного водорода.
Последующие наблюдения J0313-1806 с помощью радиоинтерферометра ALMA позволили узнать подробности о родительской галактике квазара, которая образует новые звезды в 200 раз быстрее, чем наш Млечный Путь. Яркость J0313-1806 указывает на то, что его сверхмассивная черная дыра поглощает эквивалент 25 Солнц каждый год. Энергия, выделяемая при этом, вероятно, приводит в действие мощный поток ионизированного газа, движущийся примерно со скоростью 20 % от скорости света. Считается, что именно такие потоки в конечном итоге останавливают звездообразование в галактиках. «Мы думаем, что именно сверхмассивные черные дыры были причиной того, что во многих крупных галактиках в какой-то момент перестали образовываться звезды, — сказал профессор Фань. — Мы наблюдали это в более поздние времена, но до сих пор мы не знали, насколько рано этот процесс начался в истории Вселенной. J0313-1806 — самое раннее свидетельство того, что это могло происходить в эту эпоху. В конечном итоге такой процесс приводит к тому, что черная дыра останется без питания и ее рост остановится».
Авторы исследования надеются, что будущие наблюдения при помощи космического телескопа «Джеймс Уэбб» позволят выяснить новые детали о рекордно далеком квазаре и о событиях эпохи реионизации.
Препринт исследования опубликован на портале arXiv.org, ожидается публикация в журнале Astrophysical Journal Letters.
