Рис. 1. Двойной квазар (Q0957+561) — две яркие точки в центре изображения. Сам квазар находится от нас на расстоянии ~8,7 млрд св. лет (z = 1,41). Раздвоение происходит из-за гравитационного линзирования на скоплении галактик, лежащих между нами и квазаром на расстоянии ~3,7 млрд св. лет (z =0,355). Самый крупный член скопления — гигантская эллиптическая галактика YGKOW G1 — находится почти точно на оси зрения и виден на этом фото как размытое пятно между двумя изображениями квазара. Квазар был открыт в 1979 году и стал первым известным примером гравитационной линзы (сам эффект линзирования следует из ОТО и был предсказан Эйнштейном в 1936 году, см. A. Einstein, 1936. Lens-Like Action of a Star by the Deviation of Light in the Gravitational Field). Более поздние наблюдения показали, что в данном случае линзирование устроено так, что свет, формирующий один из «портретов» квазара, идет до нас примерно на 1,1 года дольше, чем свет, формирующий второй «портрет». Обратите внимание, что каждое из изображений более далекого квазара по яркости сравнимо с гораздо более близкой гигантской галактикой. Фото с сайта esahubble.org

Интернациональный коллектив астрофизиков опубликовал результаты наблюдений, которые дали важный ключ к объяснению механизма совместной эволюции массивных черных дыр и вмещающих их галактик на ранней стадии существования Вселенной. По результатам анализа спектров 30 квазаров на красных смещениях от 5,8 до 6,6 авторы предполагают, что в ту эпоху многие сверхмассивные черные дыры в центрах галактик порождали крайне сильные потоки вещества, которые тормозили их собственный рост. Эти выводы, если они подтвердятся, потребуют модификации моделей эволюции галактик в молодой Вселенной.

В течение последних десятилетий астрономы доказали, что уже во второй половине первого миллиарда лет после Большого взрыва Вселенная была заполнена быстро формирующимися галактиками, в ядрах которых находились сверхмассивные черные дыры. Их окружали исполинские аккреционные диски, которые генерировали мощное электромагнитное излучение в широком диапазоне частот, превращающее эти дыры в очень яркие квазары. В качестве хорошего обзора, посвященного различным аспектам рождения и эволюции черных дыр, могу рекомендовать очень понятно написанную статью The Formation and Evolution of Massive Black Holes французского астрофизика Марты Волонтери, которая в 2012 году появилась в журнале Science (полный текст статьи в виде препринта доступен здесь).

В настоящее время самым старым представителем семейства первых квазаров считается J0313-1806 с полной (болометрической) светимостью 1,4×10⁴⁷ эрг/сек (F. Wang et al., 2021. A Luminous Quasar at Redshift 7.642). Его излучение доходит до Земли с красным смещением z = 7,642, что соответствует возрасту порядка 670 миллионов лет после Большого взрыва (иначе говоря, приблизительно за 13 миллиардов 130 миллионов лет до нашего времени). Масса его черной дыры оценивается в (1,6±0,4)×10⁹ солнечных масс, а ежегодный темп звездообразования в окружающей галактике составляет приблизительно 200–250 солнечных масс. Первооткрыватели квазара пришли к выводу, что эта галактика к тому времени успела накопить пылевые частицы общей массой в 70 миллионов масс Солнца — и это в дополнение к ее газовой компоненте. Вероятно, второе место принадлежит квазару P172+18, чьи отловленные на Земле фотоны были испущены через 680 миллионов лет после Большого взрыва (E. Bañados et al., 2021. The Discovery of a Highly Accreting, Radio-loud Quasar at z = 6.82).

Стоит отметить, что 13 с лишним миллиардов лет назад космический газ состоял в основном из нейтральных атомов и молекул. Однако в ту эпоху уже имело место активное рождение очень горячих и потому быстро сгорающих звезд первой генерации с массами в десятки, сотни и даже, согласно некоторым моделям, тысячи солнечных масс. В их излучении доминировали ультрафиолетовые кванты, которые выбивали электроны из газовых частиц и превращали их в ионы (этот процесс принято называть реионизацией Большого Космоса).

К концу прошлого десятилетия было известно свыше полусотни квазаров с красными смещениями в диапазоне от шести с половиной до семи. На этом фоне вполне обычными кажутся квазары с несколько меньшими сдвигами спектральных линий, чей дошедший до Земли свет был испущен уже в начале эпохи реионизации.

Авторы недавней статьи в Nature собрали детальные данные о спектрах тридцати таких квазаров с красными смещениями от 5,8 до 6,6 (12,7–12,9 млрд св. лет). Они были получены в ходе 250-часовых наблюдений на широкополосном спектрометре X-Shooter, одном из инструментов комплекса Очень большого телескопа Европейской южной обсерватории, возведенного на горе Серро-Параналь в Чили. Напомню, что в его состав входят четыре главных телескопа с апертурой 820 см. X-Shooter смонтирован на телескопе № 2, известным также под собственный именем Куйен.

Все три десятка наблюдавшихся квазаров отличаются чрезвычайно высокой яркостью. Медианная абсолютная звездная величина этой группы (напоминаю, что она равна наблюдаемой звездной величине того же объекта, если бы он находился на дистанции 10 парсек от Земли) составила −26,9. Для сравнения, абсолютная звездная величина нашей Галактики оценивается в минус 20,9, так что разница между нею и квазарной медианой равна семи единицам. Это означает, что весь Млечный Путь светит в 2,52⁶ = 256 раз слабее среднего квазара.

Как я только что отметил, авторов обсуждаемой работы интересовала информация о спектрах наблюдавшихся квазаров, которая собиралась как в оптическом диапазоне длин волн, так и в ближней инфракрасной зоне. Обработка этих данных выявила у четырнадцати квазаров участки с сильно уширенными линиями поглощения, сдвинутыми в сторону голубой границы оптического спектра. Отсюда следует, что они служат (точнее, служили в ту бесконечно далекую эпоху) источниками мощнейших струй вещества, чья скорость в максимуме доходила до 17% скорости света. Так что главное утверждение статьи состоит в следующем: 47 процентов наблюдавшихся квазаров активно выбрасывали в окружающее пространство мощные струи очень горячего вещества, разогнанные до субсветовых скоростей. Этот результат получен на 90-процентном уровне достоверности.

Этот рисунок из обсуждаемой статьи показывает, что массы тридцати наблюдавшихся древних черных дыр превосходят массы черных дыр контрольной группы, соответствующих умеренным красным смещениям. Однако эта информация передана при помощи специфического параметра, который требует объяснения.

Для начала рассмотрим стабильную звезду главной последовательности. В первом приближении это светящийся плазменный шар, находящийся в состоянии гидростатического равновесия, которое обеспечивается гравитационными силами. Как известно, электромагнитное излучение создает давление на среду, через которую оно проходит. Следовательно, оно раздувает верхние слои звезды и тем самым противодействует тяготению ее внутренних слоев, окружающих ядро, где идут реакции термоядерного синтеза.

Отсюда следует весьма нетривиальный вывод, который сделал классик британской астрофизики Артур Эддингтон. Звезда может сохранять стабильность (то есть, пребывать в состоянии гидростатического равновесия), только если ее светимость не превышает определенного максимума, который, что очень важно, пропорционален ее массе. Эта максимальная светимость называется пределом Эддингтона, или эддингтоновским пределом.

Какое отношение это имеет к квазарам, которые были открыты много позже кончины Эддингтона? Излучение квазара обеспечивается аккрецией окружающего вещества на черную дыру, причем его полная светимость пропорциональна темпу этой аккреции. Для каждого квазара существует максимальная скорость потери массы аккреционным диском, при которой аккреция еще не разрушается давлением излучения. Примечательно, что этот максимальный темп аккреции тоже пропорционален массе — только уже не звезды, а черной дыры. Его называет эддингтоновским темпом аккреции (Eddington accretion rate). Обычно его измеряют через так называемое отношение Эддингтона (Eddington ratio), которое равно отношению болометрической светимости дыры к ее эддингтоновскому пределу. Эту безразмерную величину обычно обозначают λ_Edd. Таким образом, λ_Edd = L_bol/L_Edd (L — стандартное обозначение светимости, luminosity). Для самых ярких квазаров λ_Edd обычно лишь немногим меньше единицы (теоретически превышать единицу оно не должно, хотя в реальных наблюдениях может определяться со значительными ошибками).

На центральной панели рисунка по вертикальной оси отложен логарифм эддингтоновского отношения (напомню, что это безразмерный параметр), а по горизонтальной оси — логарифм массы дыры, выраженной в единицах солнечной массы. Голубые звездочки представляют древнейшие квазары, а оранжевые и пурпурные кружочки — более молодые квазары из контрольной группы. Видно, что конкретные значения эддингтоновского отношения древнейших квазаров достигаются при значительно больших массах, нежели у квазаров контрольной группы. Верхняя гистограмма характеризует типичные неточности в определении масс квазаров, а правая — неточности в определении λ_Edd.

В чем же здесь фишка? Астрофизики накопили много данных о спектрах квазаров, которые существовали уже по окончании процесса реионизации. Они показывают, что доля квазаров с ветрами сравнимой силы, чье наблюдаемое излучение демонстрирует красные смещения в диапазоне от двух до четырех, составляет всего лишь от 10 до 17 процентов. Таким образом, самые древние квазары куда чаще бомбардировали межзвездную среду потоками сильно нагретого вещества, нежели квазары из позднейших эпох. Согласно оценке авторов статьи, квазары ранней Вселенной в среднем инжектировали в окружающее пространство как минимум в двадцать раз больше энергии, нежели квазары «всего лишь» с двойным или тройным красным смещением.

Этот вывод, если он подтвердится последующими наблюденияи, имеет важное значение для космологии. Принято считать, что черная дыра в ядре типичной галактики с умеренным или небольшим красным смещением в среднем на три порядка уступает по массе ее балджу. Эта оценка верна и для Млечного Пути: масса «нашей» черной дыры равна 4 миллионам солнечных масс, а масса галактического балджа вместе с перемычкой оценивается в девять миллиардов масс Солнца. Такая корреляция заставляет предположить, что массы внутригалактических черных дыр с не слишком высокими красными смещениями со временем растут приблизительно пропорционально. Этот тип совместной эволюции галактик и их черных дыр принято называть симбиозом — биологическая ассоциация тут достаточно уместна.

Однако подобная корреляция отнюдь не наблюдается для древнейших обитателей Космоса. Хотя точных данных о них пока совершенно недостаточно, результаты уже проведенных наблюдений показывают, что масса центральной дыры может (хотя и не обязана) на порядок превышать массу всей галактики. Так что для этой космической эпохи возможны как минимум еще два сценария: сначала по части роста доминируют черные дыры, которые набирают массу быстрее своих галактик, либо же начальными чемпионами роста оказываются сами галактики.

Рис. 2. Возможные сценарии коэволюции сверхмассивной черной дыры и содержащей ее галактики. Согласно первому сценарию (зеленая стрелка), СМЧД набирает массу опережающими темпами, а галактика позже может наверстать упущенное каким-либо образом (например, стягивая на себя вещество из межгалактического пространства или поглощая менее крупных соседей). Согласно второму сценарию, уже галактика может поначалу набрать огромную массу (синяя стрелка), часть которой впоследствии попадет в СМЧД в ее центре. То есть в этом сценарии черная дыра нагоняет свою галактику. Наконец, возможен и сценарий, в котором набор массы черной дырой и галактикой (или ее балджем) происходит более-менее параллельно. Рисунок из статьи M. Volonteri, 2012. The Formation and Evolution of Massive Black Holes

А что следует из обсуждаемой статьи? Ее авторы показали, что многие черные дыры в активных ядрах галактик ранней Вселенной быстро теряли вещество из своего окружения. Поскольку эти космические ветры-ураганы уменьшали плотность материи вблизи черных дыр, они замедляли темпы аккреции. Тем самым они замедляли увеличение массы черных дыр и одновременно добавляли галактикам барионное вещество, которое могло стать сырьем для рождения звезд. Если всё именно так и было, то сначала дыры росли быстрее звездного населения своих галактик, а позднее темпы роста тех и других более или менее сравнялись на стадии симбиоза.

Разумеется, пока это только предварительное заключение — скорее, даже гипотеза. Для ее проверки потребуются детальные (и весьма длительные) наблюдения спектров древшейших квазаров, которые скорее всего растянутся на много лет. К счастью, скоро начнет действовать Космический телескоп имени Джеймса Уэбба, который очень поможет этим исследованиям. Потом подключатся наземные супертелескопы следующего поколения, которые сооружаются в настоящее время. Один из таких астрономических инструментов будущего — Чрезвычайно Большой Телескоп с апертурой 39,3 метра, который станет флагманским инструментом Европейской Южной Обсерватории (его сооружение ведется на трехкилометровой высоте на горе Серро-Армасонес в чилийской пустыне Атакама). Вот тогда эта гипотеза будет либо подтверждена, либо опровергнута. Впрочем, не будем загадывать — время покажет.

Источник: M. Bischetti, C. Feruglio, V. D’Odorico, N. Arav, E. Bañados, G. Becker, S. E. I. Bosman, S. Carniani, S. Cristiani, G. Cupani, R. Davies, A. C. Eilers, E. P. Farina, A. Ferrara, R. Maiolino, C. Mazzucchelli, A. Mesinger, R. A. Meyer, M. Onoue, E. Piconcelli, E. Ryan-Weber, J.-T. Schindler, F. Wang, J. Yang, Y. Zhu & F. Fiore. Suppression of black-hole growth by strong outflows at redshifts 5.8–6.6 // Nature. 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-04608-1.

Алексей Левин

Read Full Article