Группа астрономов обнаружила самую большую струю черной дыры, когда-либо наблюдавшуюся в ранней Вселенной, в центре галактики, расположенной на расстоянии около 12 миллиардов световых лет от Земли. Протяженность струи составляет более 200 000 световых лет, и предполагается, что она сформировалась, когда возраст Вселенной составлял менее 1,2 миллиарда лет, то есть около 9 % от ее нынешнего возраста. Новые наблюдения дают ценную информацию о том, когда эти явления начали происходить в космосе, а также об их влиянии на эволюцию галактик.
Десятилетия космологических наблюдений показали, что большинство галактик, включая нашу собственную, имеют в своем центре сверхмассивную черную дыру. Газ и пыль, которые эти черные дыры накапливают в своих аккреционных дисках, высвобождают огромное количество энергии за счет сил трения. Это приводит к образованию чрезвычайно светящихся галактических ядер, называемых квазарами, которые периодически выбрасывают гигантские струи энергичной материи.
Джеты черных дыр легко обнаруживаются радиотелескопами на больших расстояниях. Большое их количество было обнаружено в местной Вселенной, а небольшая часть — в галактиках, близких к Млечному Пути. Однако в ранней Вселенной они до сих пор остаются неуловимыми даже с помощью самых мощных рентгеновских телескопов, таких как космический телескоп «Чандра».
Необнаружение джетов черных дыр в ранней Вселенной связано с космическим микроволновым фоном — остаточным излучением после Большого взрыва, когда Вселенная была гораздо меньше и плотнее, чем сейчас. Эта вездесущая дымка микроволнового излучения взаимодействует с джетами черных дыр и уменьшает их светимость, из-за чего их трудно обнаружить с помощью телескопов.
Струя, описанная недавно в журнале , была впервые обнаружена в 2022 году с помощью сети радиотелескопов Low Frequency Array (LOFAR), расположенных по всей Европе. Дополнительные наблюдения, проведенные в рамках нового исследования, позволили выявить ранее неизвестные характеристики.
«Только благодаря тому, что этот объект настолько экстремален, мы можем наблюдать его с Земли, хотя он находится очень далеко», — объясняет Анник Глоудеманс, ведущий автор исследования, в пресс-релизе лаборатории NSF NOIRLab. «Этот объект показывает, что мы можем обнаружить, объединив возможности нескольких телескопов, работающих на разных длинах волн», — добавляет он.
Удивительно маленький квазар для такой экстремальной струи
Недавно обнаруженный джет исходит от квазара J1601+3102 в галактике, расположенной на расстоянии от 10 до 13 миллиардов световых лет от Земли. Квазар привлек внимание астрономов тем, что он настолько ярок, что полностью затмевает свою галактику-хозяина, и значительно ярче почти двух десятков своих аналогов, исследованных с помощью LOFAR. Полученные данные позволяют предположить, что эта экстремальная яркость обусловлена двухлепестковой радиоструей, простирающейся на очень большое расстояние.
Чтобы подтвердить эти данные, команда авторов нового исследования провела дополнительные наблюдения в ближнем инфракрасном диапазоне с помощью специализированного спектрографа Gemini (GNIRS). Он установлен на телескопе Gemini North, одной из половин международной обсерватории Gemini, управляемой лабораторией NSF NOIRLab. Также были проведены оптические наблюдения на телескопе Hobby Eberly, что позволило получить полный профиль радиоструи и квазара, из которого она исходит.
Также важно определить свойства квазара (например, его массу и скорость поглощения вещества), чтобы понять механизмы его эволюции. Для этого специалисты искали сигналы широкого MgII (магниевого) излучения — специфической длины волны света, которую излучают квазары. Обычно такие сигналы появляются в ультрафиолетовом диапазоне длин волн.
Однако в случае J1601+3102 они достигают Земли в ближнем инфракрасном диапазоне из-за расширения Вселенной и ее огромного расстояния. Расширение Вселенной «растягивает» свет квазаров в сторону более длинных волн. Это позволило обнаружить магниевые сигналы от J1601+3102 с помощью GNIRS.
Новые данные показали, что двухлепестковая струя простирается на расстояние не менее 200 000 световых лет (почти вдвое больше ширины Млечного Пути), что делает ее крупнейшей из когда-либо наблюдавшихся в ранней Вселенной. Северная часть струи простирается на 29 358 световых лет от квазара, а южная — на 186 954 световых года. Такая асимметрия говорит о том, что она может регулироваться экстремальной средой.
По оценкам команды, он образовался, когда возраст Вселенной составлял всего 9 % от ее нынешнего возраста. Удивительно, но если примитивные квазары обычно имеют массу, в несколько миллиардов раз превышающую массу Солнца, то J1601+3102 довольно мал — всего 450 миллионов солнечных масс.
«Интересно отметить, что квазар, от которого исходит этот мощный радиопоток, не обладает экстремальной массой по сравнению с другими квазарами», — объясняет Глоудеманс. «Это говорит о том, что для возникновения таких мощных струй в ранней Вселенной не обязательно иметь черную дыру или исключительно массивную скорость аккреции», — предполагает он.
На данный момент исследователи не знают, почему J1601+3102 отличается от других квазаров, и какие механизмы ответственны за столь мощные радиоструи. Тем не менее, это открытие может дать новые элементы для лучшего понимания этих явлений.