Нещодавнє дослідження проливає світло на те, як надмасивні чорні діри — кожна з яких масою в мільярди разів перевищує масу нашого Сонця — утворилися так швидко протягом першого мільярда років після Великого вибуху.
На чолі з дослідниками з Національного інституту астрофізики (INAF) в Італії команда проаналізувала 21 найдальший квазар з коли-небудь виявлених. Квазари спостерігалися в рентгенівському спектрі космічними телескопами XMM-Newton і Chandra. Отримані дані свідчать про те, що колосальні чорні діри в центрі цих квазарів виросли до своїх надзвичайних розмірів завдяки надзвичайно швидкому та інтенсивному нарощуванню, пропонуючи правдоподібне пояснення їхнього раннього існування у Всесвіті.
Розуміння квазарів та їх значення
Квазари — це неймовірно яскраві та віддалені активні галактики, які живляться центральними надмасивними чорними дірами, також відомими як активні галактичні ядра.
Оскільки ці чорні діри притягують матерію, вони випромінюють величезну кількість енергії. Квазари, досліджені в цьому дослідженні, є одними з найдавніших відомих об’єктів, які датуються тим часом коли Всесвіту було менше мільярда років. Аналізуючи рентгенівське випромінювання цих квазарів, дослідники виявили несподівану поведінку надмасивних чорних дір у їхніх центрах.
Фахівці виявили зв’язок між формою рентгенівського випромінювання та швидкістю вітрів речовини, що викидається квазарами. Ця залежність пов’язує швидкість вітру, яка досягає тисяч кілометрів на секунду, з температурою газу в короні, області, найближчій до чорної діри, яка випромінює рентгенівське випромінювання.
Випробовуючи межі фізики
Дослідження показало, що квазари з низькоенергетичним рентгенівським випромінюванням, що вказує на нижчу температуру в короні, демонстрували більш швидкий вітер. Це свідчить про фазу дуже швидкого зростання, яка перевищує фізичну межу, відому як межа Еддінгтона для акреції матерії. Цю фазу називають «супер-Еддінгтоном». Навпаки, квазари з рентгенівським випромінюванням більшої енергії, як правило, мали повільніші вітри.
«Наша робота свідчить про те, що надмасивні чорні діри в центрі перших квазарів, які утворилися протягом першого мільярда років існування Всесвіту, могли насправді дуже швидко збільшити свою масу, кидаючи виклик обмеженням фізики», — сказала Алесія Тортоса, провідний автор дослідження. дослідження та дослідник INAF у Римі.
«Відкриття цього зв’язку між рентгенівським випромінюванням і вітром має вирішальне значення для розуміння того, як такі великі чорні діри могли утворитися за такий короткий час, таким чином даючи конкретну підказку для вирішення однієї з найбільших таємниць сучасної астрофізики».
Спостереження квазарів з космічної зорі
Результати були досягнуті в основному шляхом аналізу даних, зібраних за допомогою космічного телескопа XMM-Newton Європейського космічного агентства, який забезпечив приблизно 700 годин спостережень за квазарами. Більшість цих даних, зібраних між 2021 і 2023 роками в рамках багаторічної програми XMM-Newton Heritage Program, підпадає під проект HYPERION.
Проект HYPERION під керівництвом Луки Заппакости, дослідника INAF у Римі, спрямований на вивчення гіперсвітяться квазарів під час космічного світанку Всесвіту. Підтримана фінансуванням INAF широка кампанія спостережень дозволила провести передові дослідження ранньої еволюційної динаміки структур Всесвіту.
«У програмі HYPERION ми зосередилися на двох ключових факторах: з одного боку, ретельний вибір квазарів для спостереження, вибір титанів, тобто тих, які накопичили якомога більше маси, а з іншого боку, глибокий дослідження їхніх властивостей за допомогою рентгенівських променів, чого раніше ніколи не робили на такій великій кількості об’єктів космічної зорі», – сказав Заппакоста.
«Ми зірвали джекпот! Результати, які ми отримуємо, справді несподівані, і всі вони вказують на супер-Еддінгтонівський механізм росту чорних дір».
Наслідки для майбутніх космічних місій
Це дослідження пропонує цінну інформацію щодо майбутніх рентгенівських місій, таких як ATHENA (ESA), AXIS і Lynx (NASA), запуск яких запланований на період між 2030 і 2040 роками.
Результати допоможуть вдосконалити прилади спостереження наступного покоління та розробити кращі стратегії для дослідження чорних дір і активних галактичних ядер у рентгенівських променях у ще більш віддалені космічні епохи. Розуміння цих елементів має вирішальне значення для розгадки формування перших галактичних структур у первісному Всесвіті.
Надаючи правдоподібне пояснення швидкого зростання перших надмасивних чорних дір, це дослідження стосується однієї з найбільших загадок сучасної астрофізики. Це відкриває нові шляхи для дослідження того, як такі масивні сутності могли сформуватися так швидко після Великого вибуху, покращуючи наше розуміння найраніших стадій Всесвіту. Дослідження опубліковано в журналі Astronomy&Astrophysics.
