Ультрабыстрые ветры чёрной дыры в далёком квазаре достигают трети скорости света

Астрономы зафиксировали один из самых мощных ультрабыстрых выбросов материи, когда-либо наблюдавшихся у сверхмассивной чёрной дыры в далёкой Вселенной. Исследование основано на данных рентгеновских обсерваторий XMM-Newton и NuSTAR и посвящено квазару высокой светимости WISSH13, находящемуся на красном смещении 3,294, что соответствует эпохе примерно через 2 миллиарда лет после Большого взрыва.

Объект WISSH13 представляет собой квазар, в центре которого находится сверхмассивная чёрная дыра массой около 2 миллиардов солнечных масс. Она активно поглощает вещество с чрезвычайно высокой скоростью и излучает примерно в три раза ярче, чем можно было бы ожидать для чёрной дыры такой массы. Подобные системы относятся к периоду так называемого «космического полудня» — эпохи между примерно 1,6 и 3,5 миллиарда лет после Большого взрыва, когда рост галактик и чёрных дыр достигал своего пика.

Ультрабыстрые выбросы вещества, или UFO (ultra-fast outflows), представляют собой мощные ветры, исходящие из области аккреционного диска вокруг чёрной дыры. Они считаются ключевым механизмом обратной связи, с помощью которого чёрные дыры регулируют собственный рост и влияют на эволюцию галактик. Такие потоки могут нагревать окружающий газ, подавлять звездообразование и в долгосрочной перспективе даже «выключать» рост галактики.

Следы этих потоков проявляются в рентгеновских спектрах в виде линий поглощения, возникающих из-за высокоионизированного железа. Эти линии смещаются в область более высоких энергий из-за эффекта Доплера, поскольку вещество движется к наблюдателю со значительной долей скорости света. Именно по такому синему смещению астрономы могут определять наличие и скорость выбросов.

В рамках наблюдательной программы WISSHFUL, направленной на изучение гиперсветимых квазаров без гравитационного линзирования, международная команда исследователей провела многолетние наблюдения WISSH13. Были объединены новые данные 2024 года с архивными наблюдениями 2017 года, что позволило получить высококачественный рентгеновский спектр и выявить две чёткие особенности поглощения.

Анализ показал, что эти особенности соответствуют двум различным компонентам одного и того же ультрабыстрого выброса. Один поток движется со скоростью около 10% скорости света, а второй достигает примерно 30% скорости света. При этом более медленный компонент наблюдался как в данных 2017 года, так и в новых наблюдениях, что указывает на его устойчивый характер. Более быстрый компонент фиксируется только в последних данных, что говорит о его эпизодическом характере и возможной кратковременной активации.

Исследователи интерпретируют такую структуру как многослойный ветер, где более быстрый «стержень» формируется во внутренних областях аккреционного диска, а более медленная «оболочка» возникает на большем удалении от центра. Совместно эти компоненты выбрасывают в окружающее пространство огромные массы вещества — порядка 21 и 24 солнечных масс в год соответственно, что делает этот поток одним из самых мощных, известных на сегодняшний день.

Примечательно, что, несмотря на экстремальную энергию, такие выбросы подчиняются тем же масштабным закономерностям, которые наблюдаются у менее удалённых активных галактик. Это указывает на универсальность механизмов обратной связи чёрных дыр на протяжении всей космической истории. В будущем, как отмечают авторы, новые рентгеновские обсерватории, включая проект NewAthena, позволят обнаруживать подобные явления ещё в более далёких квазарах и уточнять физику этих процессов.

Наблюдение WISSH13 также стало самым далёким обнаружением ультрабыстрого выброса в квазаре без гравитационного линзирования на сегодняшний день, что делает результат особенно важным для понимания ранней Вселенной и роста сверхмассивных чёрных дыр.

В целом работа демонстрирует, что даже на огромных космологических расстояниях активные ядра галактик сохраняют сложную внутреннюю структуру потоков вещества, а процессы вокруг чёрных дыр остаются удивительно универсальными.