Астрономы обнаружили черную дыру с рекордной скоростью роста
Астрономы, используя данные рентгеновской обсерватории NASA «Чандра», обнаружили сверхмассивную черную дыру, которая растет с рекордной скоростью. Это открытие может пролить свет на то, как подобные объекты достигли колоссальных размеров в относительно короткие сроки после Большого взрыва.
Масса черной дыры оценивается примерно в миллиард солнечных масс, а находится она на расстоянии 12,8 миллиарда световых лет от Земли. Это означает, что ученые наблюдают за объектом, который существовал всего через 920 миллионов лет после рождения Вселенной. Данный объект производит больше рентгеновского излучения, чем любая другая черная дыра, замеченная в первый миллиард лет существования космоса.
Черная дыра является двигателем квазара — невероятно яркого объекта, затмевающего своим сиянием целые галактики. Источником его мощности служат огромные объемы материи, которая, закручиваясь в аккреционный диск, падает в черную дыру. Хотя этот квазар, получивший обозначение RACS J0320-35, был открыт той же командой два года назад, именно наблюдения «Чандры» в 2023 году помогли понять его уникальность. Данные рентгеновского излучения показали, что черная дыра растет с темпом, превышающим нормальный предел для подобных объектов.
«Было несколько шокирующе увидеть, как эта черная дыра растет семимильными шагами», — поделился впечатлениями руководитель исследования Лука Игина из Центра астрофизики Гарвард и Смитсоновского института в Кембридже, Массачусетс.
Когда материя притягивается к черной дыре, она нагревается и производит интенсивное излучение в широком спектре, включая рентгеновские лучи и оптический свет. Это излучение создает давление на падающий материал. Когда скорость падения материи достигает критического значения, давление излучения уравновешивает гравитацию черной дыры, и вещество уже не может падать внутрь быстрее. Этот максимум известен как предел Эддингтона.
Ученые полагают, что черные дыры, растущие медленнее предела Эддингтона, должны были родиться с массами порядка 10 000 солнечных масс, чтобы достичь миллиарда солнечных масс в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва, как это наблюдается в RACS J0320-35. Такая высокая начальная масса могла быть результатом экзотического процесса: коллапса огромного облака плотного газа с аномально низким содержанием элементов тяжелее гелия, что является крайне редким условием.
Если же квазар RACS J0320-35 действительно растет с высокой скоростью — оцененной в 2,4 раза выше предела Эддингтона — и делал это в течение продолжительного времени, то его черная дыра могла начать свой путь более традиционным способом, с массы менее ста Солнц, образовавшись из коллапсировавшей массивной звезды.
«Зная массу черной дыры и скорость ее роста, мы можем работать в обратном направлении, чтобы оценить, насколько массивной она могла быть при рождении, — пояснил соавтор исследования Альберто Моретти из Национального института астрофизики — Астрономической обсерватории Брера в Италии. — С помощью этих расчетов мы теперь можем проверить различные теории о том, как рождаются черные дыры».
Чтобы выяснить скорость роста черной дыры (от 300 до 3000 солнечных масс в год), исследователи сравнили теоретические модели с рентгеновским спектром, полученным обсерваторией «Чандра». Они обнаружили, что спектр очень близко соответствует тому, что ожидалось от модели черной дыры, растущей быстрее предела Эддингтона. Данные оптического и инфракрасного диапазонов также поддерживают эту интерпретацию.
Еще одна научная загадка, на которую проливает свет это открытие, касается причины возникновения релятивистских струй (джетов) частиц, которые движутся от некоторых черных дыр почти со скоростью света, как это видно в RACS J0320-35. Подобные джеты редко встречаются у квазаров, что может означать, что быстрый рост черной дыры каким-то образом способствует их образованию.
Квазар был первоначально обнаружен в ходе обзора радиотелескопом Australian Square Kilometer Array Pathfinder с использованием оптических данных Камеры темной энергии, установленной на 4-метровом телескопе Виктора М. Бланко в Межамериканской обсерватории Серро-Тололо в Чили. Для определения точного расстояния до RACS J0320-35 был использован телескоп Джемини-Юг Национальной исследовательской лаборатории оптико-инфракрасной астрономии NSF США, расположенный на Серро-Пачон в Чили.
Статья с результатами исследования была принята к публикации в The Astrophysical Journal. Программой «Чандра» управляет Космический центр полетов NASA имени Маршалла в Хантсвилле, штат Алабама. Научные операции контролируются Центром рентгеновских исследований «Чандра» Смитсоновской астрофизической обсерватории из Кембриджа, а полетные операции — из Берлингтона, Массачусетс.