Открытие черной дыры может заставить нас переосмыслить, как формируются галактики

Открытие этого рекордного объекта было достаточно захватывающим. Но еще один важный аспект этого сообщения заключается в том, что оно поднимает большие вопросы о формировании галактик в ранней Вселенной.

В частности, остается загадкой, как этот квазар, существовавший менее двух миллиардов лет после Большого взрыва, мог так быстро вырасти до таких больших размеров. Исследование этой тайны может привести к переосмыслению вопроса о том, как зарождаются галактики.

Черные дыры, самые плотные объекты во Вселенной, получили такое название потому, что их гравитационное притяжение настолько невероятно сильно, что даже свет не может вырваться из их хватки. Как же черная дыра может быть источником столь интенсивного света?

В некоторых галактиках, где черная дыра достаточно велика, материя притягивается к ней с невероятно высокой скоростью. По спирали вниз, в результате сильных столкновений между газами, пылью и звездами испускается огромное количество световой энергии. Чем больше черная дыра, тем сильнее столкновения и тем больше света излучается.

Квазар, ставший объектом последнего исследования, известный как J0529-4351, имеет массу, эквивалентную 17 миллиардам Солнц, и невероятно велик.

В центре галактики находится спиральный диск из материи шириной семь световых лет, и черная дыра растет за счет аккреции (накопления) этой материи. Ширина диска сопоставима с расстоянием между Землей и ближайшей звездной системой, Альфа Центавра.

Прятки на виду

Черная дыра стремительно растет, поглощая каждый день рекордное количество массы, эквивалентное одному Солнцу. Интенсивная аккреция материи высвобождает количество лучистой энергии, эквивалентное квадриллиону (тысяче триллионов) солнц.

Возникает вопрос, почему такой яркий объект был обнаружен в ночном небе совсем недавно, несмотря на десятилетия астрономических наблюдений. Оказывается, этот хитрый квазар прятался у всех на виду.

Несмотря на свою удивительную яркость, J0529-4351 находится очень далеко, а значит, легко сливается с морем более тусклых звезд, лежащих гораздо ближе к Земле. На самом деле, этот квазар находится так далеко, что свету, который он излучает, требуется целых 12 миллиардов лет, чтобы достичь нас на Земле.

Возраст Вселенной составляет около 13,7 миллиарда лет. Значит, этот квазар существовал всего через 1,7 миллиарда лет после Большого взрыва, в самом начале существования Вселенной.

Расширение Вселенной после Большого взрыва позволяет нам измерить расстояние до этого квазара и, следовательно, его возраст. Давно известная простая формула, называемая законом Хаббла, гласит, что, зная скорость, с которой объект удаляется от нас, можно вычислить, на каком расстоянии он находится.

Столкновения, происходящие по спирали материи в черной дыре этого квазара, повышают ее температуру до 10 000 °C. В таких условиях атомы системы излучают характерный спектр света.

Эти дискретные частоты света образуют своеобразный штрих-код, который астрономы могут использовать для определения элементного состава объектов в ночном небе.

Когда объект, излучающий свет, удаляется от нас, частота наблюдаемого света изменяется, так же как частота звука сирены скорой помощи меняется в зависимости от того, движется она к вам или от вас.

Это смещение, наблюдаемое в астрономических объектах, известно как красное смещение. Это, наряду с законом Хаббла, позволило нам подтвердить возраст и расстояние (оба эти понятия связаны в космологии) J0529-4351.

Этот яркий маяк ранней Вселенной поднял важный вопрос, который озадачил астрономов: как эта черная дыра могла так быстро вырасти в столь массивный объект за такой относительно короткий промежуток времени? Согласно традиционным моделям ранней Вселенной, для того чтобы вырасти до таких размеров, должно было потребоваться больше времени.

Более того, если настроить модели искусственного интеллекта (ИИ), используемые для сканирования данных телескопа в поисках этих необычных объектов, то в ближайшие годы их можно будет найти еще больше. Если они будут похожи на J0529-4351, физикам придется серьезно пересмотреть свои модели формирования ранней Вселенной и галактик.

Самая быстрорастущая черная дыра из когда-либо наблюдавшихся станет идеальной мишенью для системы под названием Gravity+ — предстоящего обновления прибора Очень большого телескопа под названием «Интерферометр». Этот интерферометр представляет собой оригинальный способ объединения данных с четырех отдельных телескопов, из которых, собственно, и состоит VLT.

Gravity+ предназначен для точного измерения скорости вращения и массы черных дыр, особенно тех, которые находятся далеко от Земли.

Кроме того, в настоящее время в чилийской пустыне Атакама ведется строительство Чрезвычайно большого телескопа Европейской южной обсерватории — телескопа-рефлектора диаметром 39 метров. Он предназначен для обнаружения оптических и ближних инфракрасных длин волн, характерных для далеких квазаров, и сделает идентификацию и характеристику таких неуловимых объектов еще более вероятной в будущем.

Робин Смит, старший преподаватель физики, Университет Шеффилда Халлама.