Рекордный ультрабыстрый поток из далекого квазара эпохи космического полудня

В начале сентября 2024 года международная команда астрономов под руководством Джорджо Ланцуизи из итальянского Национального института астрофизики (INAF) в Болонье объявила об обнаружении одной из самых мощных сверхбыстрых газовых струй, когда-либо зафиксированных в окрестностях сверхмассивной черной дыры. Исследователи использовали данные двух космических рентгеновских обсерваторий – европейской XMM-Newton и американской NuSTAR для наблюдения за исключительно ярким квазаром, известным как WISSH13. Этот объект находится на расстоянии, соответствующем эпохе «космического полудня», когда Вселенной было около двух миллиардов лет. Предварительные результаты работы были опубликованы на сервере препринтов arXiv 3 июня, а сама статья принята к публикации в журнале Astronomy & Astrophysics.

Квазары, активно поглощающие окружающее вещество, часто порождают мощные ветры, которые вырываются из внутренних областей аккреционного диска. Когда скорость таких потоков превышает десятую часть скорости света, их классифицируют как сверхбыстрые истечения. Эти явления играют ключевую роль в эволюции галактик, поскольку они переносят огромную энергию в межзвездную среду, нагревая газ и тем самым подавляя образование новых звезд.

Такой механизм обратной связи считается особенно важным в эпоху космического полудня, которая длилась от 1,6 до 3,5 миллиарда лет после Большого взрыва, в период наиболее активного роста как черных дыр, так и их родительских галактик. Обнаружить эти ветры удается благодаря характерным провалам в рентгеновских спектрах, возникающим из-за поглощения излучения высокоионизированным железом в движущемся газе. Из-за того, что вещество несется к наблюдателю с релятивистской скоростью, спектральные линии смещаются в сторону более высоких энергий, что проявляется как синее смещение.

Предыдущие попытки найти подобные истечения на больших красных смещениях в основном опирались на гравитационно-линзированные квазары, свет которых усиливался промежуточной галактикой, однако такой метод вносил дополнительные погрешности. Чтобы преодолеть это ограничение, группа Ланцуизи запустила специализированную наблюдательную программу WISSHFUL, рассчитанную на несколько лет работы с телескопом XMM-Newton.

В рамках этой программы было отобрано 15 гиперсветящихся квазаров эпохи космического полудня, не подверженных эффекту линзирования. Первым изученным объектом стал квазар WISSH13, находящийся на красном смещении 3,294, что соответствует времени, когда Вселенной было около двух миллиардов лет. Его центральная черная дыра имеет массу, примерно в два миллиарда раз превышающую солнечную, и поглощает вещество с такой интенсивностью, что светимость квазара примерно втрое выше теоретических предсказаний для объекта такой массы.

Сравнив новые наблюдения, выполненные в октябре 2024 года, с архивными данными того же квазара за 2017 год, ученые получили рентгеновский спектр исключительно высокого качества. В нем отчетливо проявились две особенности поглощения, которые, как показало моделирование, соответствуют двум разным компонентам одного и того же сверхбыстрого ветра.

Один из этих потоков движется со скоростью около десяти процентов скорости света, а второй – значительно быстрее, примерно тридцать процентов от скорости света. Примечательно, что более медленная компонента была зафиксирована в обеих сериях наблюдений с интервалом в семь лет, что указывает на ее долговременную стабильность и принадлежность к постоянной структуре системы. В то же время быстрая компонента проявилась исключительно в свежих данных, что позволяет предположить, что она генерируется в ходе кратковременных, эпизодических всплесков активности, а не является непрерывным явлением.

Такая картина идеально согласуется с теоретическими моделями, предсказывающими слоистую структуру истечений из окрестностей сверхмассивных черных дыр. Согласно этим представлениям, из самых внутренних областей аккреционного диска вырывается узкий и быстрый «стержень», который окружен более медленной «оболочкой», берущей начало на большем удалении от черной дыры.

Оба компонента вместе выбрасывают в окружающее пространство колоссальное количество вещества: медленный поток уносит около 21 солнечной массы в год, а быстрый – примерно 24 солнечные массы ежегодно. По этим показателям обнаруженный ветер входит в число самых массивных и энергетически мощных сверхбыстрых истечений, известных на сегодняшний день. Кроме того, это самое далекое (с наибольшим красным смещением) подобное явление, зарегистрированное у квазара, не подвергнутого гравитационному линзированию.

Интересно, что, несмотря на свою экстремальную мощность, обнаруженные потоки подчиняются тем же эмпирическим соотношениям между светимостью, скоростью и массой истечения, которые ранее были установлены для менее удаленных активных галактик. Это говорит об универсальности физических процессов, управляющих обратной связью между черными дырами и их окружением на разных этапах космической истории.

В итоге проведенное исследование не только продемонстрировало способность современных рентгеновских телескопов детектировать сложную структуру сверхбыстрых ветров в обычных, не линзированных квазарах, но и предоставило прямое наблюдательное подтверждение теоретических предсказаний о существовании двухслойного истечения. Открытие того, что быстрая компонента может включаться и выключаться, тогда как медленная остается постоянной, проливает новый свет на изменчивую природу аккреции сверхмассивных черных дыр.

Авторы работы отмечают, что с вводом в строй следующего поколения рентгеновских обсерваторий, в частности планируемого телескопа NewAthena, астрономы смогут систематически обнаруживать и изучать такие ветры даже в еще более далеких и слабых объектах, что позволит окончательно прояснить их роль в формировании крупномасштабной структуры Вселенной.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях