С помощью рентгеновской обсерватории Чандра астрономы обнаружили доказательства необычайно длинной струи частиц, исходящей из сверхмассивной черной дыры в ранней Вселенной. Если это подтвердится, это будет самая далекая сверхмассивная черная дыра, струя которой обнаружена в рентгеновских лучах. Вылетевший из галактики на расстоянии около 12,7 миллиарда световых лет от Земли, джет может помочь объяснить, как самые большие черные дыры образовались в очень ранний период истории Вселенной.
Источником джета является квазар – быстрорастущая сверхмассивная черная дыра – названная PSO J352.4034-15.3373 (для краткости PJ352-15), которая находится в центре молодой галактики. Это один из двух самых мощных квазаров, обнаруженных с помощью радиоволн в первый миллиард лет после Большого взрыва, и он примерно в миллиард раз массивнее Солнца.
Как сверхмассивные черные дыры смогли так быстро вырасти и достичь такой огромной массы в эту раннюю эпоху Вселенной? Это один из ключевых вопросов современной астрономии.
Несмотря на свою мощную гравитацию и устрашающую репутацию, черные дыры не обязательно притягивают все, что приближается к ним. Материал, вращающийся вокруг черной дыры в диске, должен потерять скорость и энергию, прежде чем он сможет упасть дальше внутрь и пересечь так называемый горизонт событий, точку невозврата. Магнитные поля могут вызывать эффект торможения на диске, поскольку они приводят в действие струю, что является одним из ключевых способов потери энергии материалом в диске и, следовательно, увеличения скорости роста черных дыр.
Астрономам нужно было наблюдать за PJ352-15 в течение трех дней, используя острое зрение Чандры, чтобы обнаружить следы рентгеновского излучения. Рентгеновское излучение было обнаружено на расстоянии около 160 тысяч световых лет от квазара в том же направлении, что и более короткие струи, которые ранее наблюдались в радиоволнах с помощью системы очень длинной базы. Для сравнения, весь Млечный Путь охватывает около 100 тысяч световых лет.
PJ352-15 устанавливает несколько астрономических рекордов. Во-первых, самая длинная струя, наблюдавшаяся ранее в течение первого миллиарда лет после большого взрыва, имела длину всего около 5000 световых лет, что соответствует радионаблюдениям PJ352-15. Во-вторых, PJ352-15 находится примерно на 300 миллионов световых лет дальше, чем самый далекий рентгеновский джет, зарегистрированный до него.
«Длина этого джета значительна, потому что это означает, что сверхмассивная черная дыра, питающая его, росла в течение значительного периода времени, – сказал соавтор Эдуардо Банядос из Института астрономии Макса Планка (MPIA) в Гейдельберге, Германия. – Этот результат подчеркивает, что рентгеновские исследования далеких квазаров предоставляют важный способ изучения роста самых далеких сверхмассивных черных дыр».
Свет, обнаруженный от этого джета, был испущен, когда Вселенной было всего 0,98 миллиарда лет, что составляет менее одной десятой ее нынешнего возраста. В этот момент интенсивность космического микроволнового фонового излучения, оставшегося после Большого взрыва, была намного больше, чем сегодня.
Когда электроны в струе улетают от черной дыры со скоростью, близкой к скорости света, они движутся и сталкиваются с фотонами, составляющими космическое микроволновое фоновое излучение, повышая энергию фотонов до рентгеновского диапазона. В этом сценарии яркость рентгеновских лучей значительно выше, чем у радиоволн. Это согласуется с наблюдением, что большая деталь рентгеновского джета не имеет связанного радиоизлучения.
«Наш результат показывает, что рентгеновские наблюдения могут быть одним из лучших способов изучения квазаров с джетами в ранней Вселенной, – отметил соавтор Дэниел Стерн, также из JPL. – Или, другими словами, рентгеновские наблюдения в будущем могут стать ключом к раскрытию секретов нашего космического прошлого».
