Ученые выяснили, что квазары не является основным фактором космической реионизации

Известно, что сегодня во Вселенной преобладают сверхмассивные черные дыры (СМЧД) — черные дыры с массой, в миллионы и миллиарды раз превышающей солнечную. Однако пока неясно, когда, где и как они образовались на протяжении 13,8 миллиардов лет космической истории.

Наблюдения последних нескольких десятилетий показали, что в центре каждой галактики есть СМЧД, а масса черной дыры почти всегда составляет одну тысячную массы родительской галактики. Эта тесная связь подразумевает, что галактики и сверхмассивные черные дыры эволюционировали вместе.

Таким образом, выявление происхождения СМЧД имеет решающее значение не только для понимания самих черных дыр, но и для выяснения процессов формирования галактик, основных составляющих видимой Вселенной.

Ключ к решению этой проблемы лежит в ранней Вселенной, где время, прошедшее с момента Большого взрыва (т. е. начала Вселенной), составило менее миллиарда лет. Благодаря тому, что скорость света имеет определенную величину, мы можем оглянуться в прошлое, наблюдая за далекой Вселенной.

Существовали ли сверхмассивные черные дыры, когда Вселенной было всего миллиард лет или меньше? Возможно ли, чтобы черная дыра приобрела столь большую массу (превышающую миллион солнечных масс, а иногда достигающую миллиардов солнечных масс) за такое короткое время? Если да, то каковы лежащие в основе этого физические механизмы и условия?

Чтобы приблизиться к происхождению СМЧД, необходимо наблюдать их и сравнивать их свойства с предсказаниями теоретических моделей. И для этого сначала нужно найти, где они находятся на небе.

Для нового исследования астрономы использовали телескоп Субару на вершине вулкана Маунакеа, на Гавайях. Одним из самых больших преимуществ этого телескопа является возможность широкоугольного наблюдения, которая особенно подходит для поиска черных дыр.

Поскольку СМЧД не излучают свет, астрономы искали особый класс, называемый «квазарами» — СМЧД со светящимися краями, где падающее вещество выделяет гравитационную энергию.

Ученые наблюдали обширную область неба, в 5000 раз превышающую полную Луну, и успешно обнаружили 162 квазара, находящихся в ранней Вселенной.

В частности, 22 из них жили в эпоху, когда Вселенной было менее 800 миллионов лет — самый древний период, в котором на сегодняшний день были обнаружены квазары.

Большое количество обнаруженных квазаров позволило определить наиболее фундаментальную меру, называемую «функцией светимости», которая описывает пространственную плотность квазаров как функцию энергии излучения.

Исследователи обнаружили, что квазары формировались очень быстро в ранней Вселенной, тогда как общая форма функции светимости (за исключением амплитуды) оставалась неизменной с течением времени.

Такое характерное поведение функции светимости накладывает строгие ограничения на теоретические модели, которые в конечном итоге могут воспроизвести все наблюдаемые и описать происхождение СМЧД.

С другой стороны, было известно, что на ранней стадии Вселенная пережила крупный фазовый переход, называемый «эпохой реионизации». Прошлые наблюдения позволяют предположить, что в этом событии было ионизировано все межгалактическое пространство. Источник энергии ионизации все еще обсуждается, а излучение квазаров рассматривается как многообещающий кандидат.

Интегрировав приведенную выше функцию светимости, ученые обнаружили, что квазары излучают 10 ²⁸ фотонов в секунду в единице объема со стороной в 1 световой год в ранней Вселенной.

Это менее 1% фотонов, необходимых для поддержания ионизированного состояния межгалактического пространства в то время, и, таким образом, указывает на то, что квазары внесли лишь незначительный вклад в космическую реионизацию.

Поэтому, по словам ученых, критически необходимы другие источники энергии, которыми, согласно другим недавним наблюдениям, может быть интегрированное излучение массивных горячих звезд в формирующихся галактиках.

Исследование было опубликовано в The Astrophysical Journal Letters.