Горячий газ у черной дыры помог открыть новый метод поиска квазаров в молодой Вселенной

Как из небольших черных дыр выросли сверхмассивные гиганты, которые сегодня «сидят» в центре галактик? Теоретически, если бы они копили массу только за счет поглощения вещества, им не хватило бы времени на то, чтобы вырасти до современных размеров. По одному из сценариев, такие объекты росли через слияния насыщенных газом галактик.

После слияния в образовавшейся галактике запускался активный процесс звездообразования, а вокруг центра скапливался «кокон» из вещества, которым быстро насыщалась центральная массивная черная дыра, — появлялся квазар. Обычно «кокон» сильно нагревается, поэтому квазары — одни из самых ярких объектов в космосе. Но у первых галактик эти «коконы» были очень плотными.

По расчетам ученых, во Вселенной возрастом 2,1 миллиарда лет примерно половина квазаров скрыты своими дисками пыли и газа. И чем ближе к Большому взрыву, тем выше этот процент. Но астрономы нашли способ их выявить и, что еще важнее, разглядеть динамику горячего газа в окрестностях активного ядра.

Объектом пристальных наблюдений стал один из самых яркий древних квазаров — J2310+1855. Его красное смещение примерно равно шести, то есть мы видим его таким, каким он был, когда Вселенной было 942 миллиона лет. Наблюдения вели с радиообсерватории ALMA.

Авторы научной работы, опубликованной в журнале Nature Astronomy, обнаружили, что газ в галактике сосредоточен вблизи центра — признак произошедшего слияния двух галактик. Обычно для изучения распределения молекулярного газа в окрестностях центра астрономы смотрят на холодный газ. В этот раз ученые отследили излучение очень горячего монооксида углерода, нагретого рентгеновским излучением от аккреционного диска черной дыры.

Молодые звезды в теории тоже могут сильно нагревать газ. Суммарно в галактике J2310+1855 «рождается» до трех тысяч солнечных масс в год. По новыми расчетам, даже сильнейшее излучение новых звезд не может обеспечить достаточный нагрев. Значит, источник энергии — активное ядро галактики.

Разглядеть и изучить скрытый квазар удалось благодаря его положению — он повернут к нам «верхушкой». Если бы мы видели его сбоку, аккреционный диск полностью скрыл бы его от оптических и рентгеновских инструментов. Теперь же ученые знают, что по линиям сильного нагретого монооксида углерода можно искать и полностью скрытые квазары в ранней Вселенной.

«Мы обнаружили, что сильное рентгеновское излучение от вещества, падающего в черную дыру, вкупе с сильными ветрами и ударными волнами, нагревает газ до состояний гораздо выше, чем мы видим в нормальных галактических условиях, где главный источник энергии — ультрафиолетовое излучение звезд. Так как радиоволны, наблюдаемые ALMA, плохо поглощаются пылью, наш метод становится мощным инструментом для открытия скрытых сверхмассивных черных дыр», — объяснил Такафуми Цукуи, соавтор новой работы, исследователь из Австралийского национального университета.

Нельзя утверждать, что такой нагретый рентгеновским излучением газ есть в центре всех квазаров, ведь пока удалось изучить лишь один такой объект, но авторы работы уверены в выводах. Известно немало галактик, скрытых плотными облаками пыли и газа, которые могут оказаться квазарами в «коконах». Также космический телескоп «Джеймс Уэбб» уже засек менее ярких кандидатов в квазары с запыленными центральными областями. С помощью ALMA можно более пристально изучить эти объекты и пополнить наши знания о разных стадиях и траекториях эволюции квазаров.