Ученые наблюдают сверхмассивную черную дыру в ранней вселенной

Астрономы обнаружили самую удаленную сверхмассивную черную дыру, когда-либо наблюдаемую. Черная дыра находится в центре ультро-яркого квазара,  который начал излучал свет всего 690 миллионов лет после Большого взрыва.

Этому свету понадобилось около 13 миллиардов лет, чтобы достичь нас — промежуток времени, который почти равен возрасту Вселенной.

Черная дыра весит примерно в 800 миллионов раз больше, чем наше Солнце — настоящий Голиаф по современным стандартам и относительная аномалия в ранней Вселенной.

«Это единственный объект, который мы наблюдаем в эту эпоху», — говорит Роберт Симко, профессор физики Фрэнсиса Л. Фридмана в Институте астрофизики и космических исследований им. Кавли.

«У него чрезвычайно высокая масса, и все же вселенная так молода, что этого объекта не должно блыо существовать. Вселенная была просто недостаточно старой, для тог чтобы создать черную дыру такой большой. Это очень озадачивает».

Другая интрига черной дыры — это среда, в которой она сформировалась: ученые пришли к выводу, что черная дыра сформировалась тогда же, когда вселенная подвергалась фундаментальному сдвигу, от непрозрачной среды, в которой доминировал нейтральный водород, к тому, в котором возникли первые звезды.

По мере образования большего количества звезд и галактик они в конечном итоге сгенерировали достаточное количество излучения для нейтрализации водорода из нейтрального состояния, в котором электроны водорода привязаны к их ядру, к ионизованному, в котором электроны освобождаются от случайной рекомбинации.

Этот переход от нейтрального к ионизированному водороду представляет собой фундаментальное изменение во Вселенной, которое сохранилось и по сей день, так называемая эпохи реионизации.

Команда астрономов считает, что недавно обнаруженная черная дыра существовала в среде, которая была примерно наполовину нейтральной, наполовину ионизированной.

«Мы обнаружили, что Вселенная была в состоянии 50/50 — это момент, когда первые галактики появились из своих коконов нейтрального газа и начали светиться», — говорит Симко.

Роберт Симко и Моника Л. Тернер являются соавторами MIT из статьи, в которой подробно изложены результаты, опубликованные сегодня в журнале Nature. Другие ведущие авторы принадлежат Институту Карнеги  в Пасадене, штат Калифорния.

Черная дыра была обнаружена Эдуардо Бансадосом, астрономом, который нашел объект, изучая карты отдаленной вселенной. Бансадос, в частности, наблюдал квазары — одни из самых ярких объектов во вселенной, состоящие из сверхмассивной черной дыры, окруженной закрученными, аккрецирующими дисками материи.

После определения нескольких интересующих объектов, Бансадос сосредоточился на них, используя инструмент, известный как FIRE (Folded-port InfraRed Echellette), который был построен Робертом Симко и работает на телескопа Magellan диаметром 6,5 метров в Чили. FIRE — это спектрометр, который классифицирует объекты на основе их инфракрасных спектров.

Свет от очень далеких ранних космических объектов смещается в сторону более красных длин волн во время его путешествия по вселенной, когда вселенная расширяется.

Астрономы ссылаются на это доплеровское явление как «красное смещение»; чем ближе к объекту, тем дальше его свет смещается в сторону красного или инфракрасного конца спектра. Чем выше красное смещение объекта, тем дальше оно, как в пространстве, так и во времени.

Используя FIRE, команда идентифицировала один из объектов Бансадоса как квазар с красным смещением 7.5, то есть объект начал излучал свет около 690 миллионов лет после Большого взрыва. Основываясь на красном смещении квазара, исследователи вычислили массу черной дыры в ее центре и определили, что она составляет около 800 миллионов масс Солнца.

«Что-то заставляет газ внутри квазара двигаться с очень высокой скоростью, и единственным явлением, которое мы знаем, которое достигает таких скоростей, является орбита вокруг сверхмассивной черной дыры», — говорит Роберт Симко.

Недавно открытый квазар, по-видимому, представляет решающий момент в истории вселенной. Сразу после Большого Взрыва вселенная напоминала космический суп из горячих, чрезвычайно энергичных частиц.

По мере того как вселенная быстро расширялась, эти частицы охлаждались и сливались в нейтральный водородный газ в эпоху, которая иногда называется как темные века — период, лишенный любых источников света.

В конечном итоге гравитационно конденсированное вещество попадает в первые звезды и галактики, которые, в свою очередь, создают свет в виде фотонов. По мере того, как звезды начинали светиться во вселенной, их фотоны вступали в реакцию с нейтральным водородом, ионизируя газ —  это была так называемая эпоха повторной ионизации.