Ученые подсчитали, какой вклад внесли квазары в эонизацию ранней Вселенной.

О новом исследовании рассказали в Университете Эхиме (Япония).

Известно, судя по новостям о космосе, что сегодня во Вселенной преобладают сверхмассивные черные дыры (СМЧД) — черные дыры с массой, в миллион раз превышающей массу Солнца. Однако пока непонятно, когда, где и как они образовались за 13,8 млрд лет космической истории.

Наблюдения последних десятилетий показали, что в центре каждой галактики находится СМЧД, причем масса черной дыры почти всегда составляет одну тысячную от массы своей галактики. Такая тесная связь предполагает, что галактики и СМЧД эволюционировали вместе. Таким образом, выяснение происхождения СМЧД имеет решающее значение не только для понимания самих СМЧД, но и для выяснения процессов формирования галактик — основных составляющих видимой Вселенной.

Ключ к решению этой проблемы лежит в ранней Вселенной, где время, прошедшее от момента Большого взрыва (то есть начала существования Вселенной), составляет менее миллиарда лет. Благодаря конечной скорости света мы можем заглянуть в прошлое, наблюдая за далекой Вселенной. Существовали ли СМЧД уже тогда, когда возраст Вселенной составлял лишь миллиард лет или меньше? Возможно ли, чтобы черная дыра приобрела такую большую массу (превышающую миллион солнечных масс, а иногда достигает миллиардов солнечных масс) за такое короткое время? Если да, то какие физические механизмы и условия лежат в основе этого процесса?

Для того, чтобы вплотную подойти к вопросу о происхождении СМЧД, нам необходимо наблюдать их и сравнивать их свойства с предсказаниями теоретических моделей. А для этого сначала нужно определить, где они находятся на небе.

Для проведения этого исследования японские ученые использовали телескоп "Субару", расположенный на вершине Маунакеа (Гавайи). Одним из главных преимуществ телескопа "Субару" является его возможность широкопольных наблюдений, что особенно подходит для поставленной цели. Поскольку НМЧД не излучают свет, исследователи искали особый класс, называемый "квазарами", - СМЧД со светящимися окрестностями, где вещество, падающее к черной дыре, высвобождает гравитационную энергию.

Исследователи наблюдали широкую область неба, эквивалентную 5 000 полным Лунам, и успешно обнаружили 162 квазара, обитающих в ранней Вселенной. В частности, 22 из них жили в эпоху, когда возраст Вселенной не превышал 800 млн лет — самый древний период, в котором квазары были обнаружены на сегодняшний день.

Большое количество обнаруженных квазаров позволило определить наиболее фундаментальную меру — "функцию светимости", которая описывает пространственную плотность квазаров как функцию энергии излучения. Исследователи обнаружили, что в ранней Вселенной квазары формировались очень быстро, при этом общая форма функции светимости (за исключением амплитуды) оставалась неизменной с течением времени.

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

Результаты этого исследования опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters.

С другой стороны, известно, что на ранней стадии Вселенная пережила большой фазовый переход, получивший название "космическая реионизация". Прошлые наблюдения показывают, что во время этого события все межгалактическое пространство было ионизировано. Вопрос об источнике энергии ионизации до сих пор остается дискуссионным, и как перспективный кандидат рассматривается излучение квазаров.

Проинтегрировав приведенную выше функцию светимости, исследователи обнаружили, что квазары излучают 1028 фотонов в секунду в единице объема в 1 световой год на стороне ранней Вселенной. Это менее 1% фотонов, необходимых для поддержания ионизированного состояния межгалактического пространства в то время, и, следовательно, квазары вносят лишь незначительный вклад в реионизацию космоса. Критически необходимы другие источники энергии, которыми, согласно другим недавним наблюдениям, может быть интегральное излучение массивных горячих звезд в формирующихся галактиках.