Астрономы из Японии, Тайваня и Принстонского университета обнаружили 83 квазара, питаемых сверхмассивными черными дырами в далекой вселенной, со времени, когда вселенная составляла менее 10 процентов своего нынешнего возраста.

«Примечательно, что такие массивные плотные объекты смогли сформироваться так скоро после Большого взрыва», — сказал Майкл Стросс, профессор астрофизических наук в Принстонском университете, который является одним из соавторов исследования. «Понимание того, как черные дыры могут образовываться в ранней вселенной, и насколько они распространены, является проблемой для наших космологических моделей».

Это открытие значительно увеличивает число черных дыр, известных в ту эпоху, и впервые показывает, насколько они распространены в начале истории вселенной. Кроме того, он дает новое представление о влиянии черных дыр на физическое состояние газа в ранней Вселенной в ее первый миллиард лет. Исследование опубликовано в серии из пяти статей, опубликованных в «Астрофизическом журнале» и « Публикации астрономической обсерватории Японии» .

Сверхмассивные черные дыры, найденные в центрах галактик, могут быть в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца. Хотя они распространены сегодня, неясно, когда они впервые образовались и сколько их существовало в далекой ранней вселенной. Сверхмассивная черная дыра становится видимой, когда газ оседает на ней, заставляя ее сиять как «квазар». Предыдущие исследования были чувствительны только к очень редким, наиболее светящимся квазарам и, следовательно, к самым массивным черным дырам . Новые открытия исследуют популяцию более слабых квазаров, приводимых в действие черными дырами с массами, сопоставимыми с большинством черных дыр, наблюдаемых в современной вселенной.

Исследовательская группа использовала данные, полученные с помощью самого современного прибора «Hyper Suprime-Cam» (HSC), установленного на телескопе Subaru Национальной астрономической обсерватории Японии, который находится на вершине горы Маунакеа на Гавайях. HSC имеет гигантское поле зрения — 1,77 градуса в поперечнике или в семь раз больше площади полной луны — установленное на одном из самых больших телескопов в мире. Команда HSC исследует небо в течение 300 ночей телескопического времени, распределенного на пять лет.

Команда выбрала отдаленных кандидатов на квазар из конфиденциальных данных опроса HSC. Затем они провели интенсивную наблюдательную кампанию, чтобы получить спектры этих кандидатов, используя три телескопа: телескоп Subaru; Gran Telescopio Canarias на острове Ла-Пальма на Канарах, Испания; и Южный телескоп Близнецов в Чили. Опрос выявил 83 неизвестных ранее очень далеких квазара. Вместе с 17 квазарами, уже известными в регионе исследования, исследователи обнаружили, что на кубический гига световый год приходится примерно одна сверхмассивная черная дыра — иными словами, если вы разделите вселенную на воображаемые кубы, которые находятся на миллиарде световых лет на сторона, каждая будет содержать одну сверхмассивную черную дыру.

Образцы квазаров в этом исследовании находятся на расстоянии около 13 миллиардов световых лет от Земли; другими словами, мы видим их такими, какими они были 13 миллиардов лет назад. Поскольку Большой Взрыв произошел 13,8 миллиардов лет назад, мы эффективно оглядываемся назад во времени, наблюдая, как эти квазары и сверхмассивные черные дыры появились только через 800 миллионов лет после создания (известной) вселенной.

Широко признано, что водород во вселенной когда-то был нейтральным, но был «реионизирован» — расщеплен на составляющие его протоны и электроны — примерно в то время, когда в первом поколении родились звезды первого поколения, галактики и сверхмассивные черные дыры. сто миллионов лет после Большого взрыва. Это веха космической истории, но астрономы до сих пор не знают, что дало невероятное количество энергии, необходимое для реионизации. Убедительная гипотеза предполагает, что в ранней вселенной было гораздо больше квазаров, чем было обнаружено ранее, и именно их интегрированное излучение реионизировало вселенную.

«Однако число квазаров, которые мы наблюдали, показывает, что это не так», — объяснил Роберт Люптон, доктор философии 1985 года, Принстон. выпускник, который является старшим научным сотрудником в области астрофизических наук. «Число увиденных квазаров значительно меньше, чем необходимо для объяснения реионизации». Поэтому реионизация была вызвана другим источником энергии, скорее всего, многочисленными галактиками, которые начали формироваться в молодой вселенной.
Настоящее исследование стало возможным благодаря ведущим в мире способностям съемки Subaru и HSC. «Квазары, которые мы обнаружили, будут интересным предметом для дальнейших наблюдений с нынешними и будущими возможностями», — сказал Йошики Мацуока, бывший доктор наук из Принстона, ныне работающий в Университете Эхимэ в Японии, который руководил исследованием. «Мы также узнаем о формировании и ранней эволюции сверхмассивных черных дыр, сравнивая измеренную плотность числа и распределение светимости с предсказаниями теоретических моделей».

Основываясь на результатах, достигнутых к настоящему времени, команда с нетерпением ожидает обнаружения еще более далеких черных дыр и обнаружения, когда во вселенной появилась первая сверхмассивная черная дыра.