Чорні діри активно розвивалися в молодих галактиках

Американські астрономи представили експериментальні свідчення того, що чорні діри швидко росли разом із галактиками в молодому Всесвіті. У деяких квазарах, які існували менш ніж через мільярд років після Великого вибуху, раніше вже знаходили чорні діри з масою понад 10⁹ сонячних.

Однак ці поодинокі об’єкти не давали повного уявлення про розвиток перших чорних дір у Всесвіті; щоб скласти загальну картину, автори розглянули велику вибірку галактик на червоному зміщенні z = 6–8. Якщо перевести зміщення в часові одиниці, отримаємо, що галактики постають перед нами такими, якими вони були через 0,95–0,7 млрд років після Великого вибуху.

Свідченням акреції та росту чорних дір вважають рентгенівське випромінювання, яке виявляла космічна обсерваторія «Чандра». Експериментальною основою роботи стали тривалі спостереження двох ділянок неба: Chandra Deep Field South (CDF-S) у сузір’ї Печі та Chandra Deep Field North (CDF-N) у Великій Ведмедиці. На вивчення CDF-S «Чандра» витратила близько чотирьох мільйонів секунд (понад шість тижнів), а CDF-N спостерігали «лише» два мільйони секунд.

Ті самі ділянки в оптичному та інфрачервоному діапазонах спостерігав «Габбл», за даними якого відібрали кандидатів у молоді галактики. У межах CDF-S учені знайшли 371 об’єкт на z ~ 6, 66 кандидатів на z ~ 7 і ще 47 — на z ~ 8. До цієї групи потім додали 151 галактику на z ~ 6, знайдену на ділянці CDF-N.

Жодної з відібраних галактик «Чандра» не зареєструвала, й астрономам довелося додавати результати спостережень окремих джерел. Цю процедуру виконали для 197 кандидатів у молоді галактики на z ~ 6, причому 151 об’єкт узяли з CDF-S, а решту 46 — із CDF-N. Неважко розрахувати, що додавання дає загальну тривалість експозиції 7•10⁸ с (близько 23 років).

Сумарну кількість відліків визначали для кожного з двох сусідніх енергетичних інтервалів (0,5–2 кеВ і 2–8 кеВ), у яких працювала «Чандра». Як виявилося, додавання дозволяє виділити чіткий сигнал в обох випадках; у нижньому енергетичному діапазоні на одне джерело припадає (3,40 ± 0,68)•10^–7 відліку за секунду, що відповідає потоку випромінювання 2,3•10^–18 ерг/(см²•с), а у верхньому — (8,8 ± 1,3)•10^–7 відліку за секунду та 2,1•10^–17 ерг/(см²•с). Аналогічні розрахунки виконали для джерел на z ~ 7 і z ~ 8, але тут справді значущого сигналу не виявили.

Екстраполюючи ці результати на всю площу неба, можна обчислити, що в молодому Всесвіті було щонайменше 30 мільйонів надмасивних чорних дір. «У сучасному Всесвіті чорні діри й галактики ростуть паралельно, — зауважує учасниця дослідження Пріямвада Натараджан (Priyamvada Natarajan) з Єльського університету. — Тепер ми довели, що їхня взаємовигідна співпраця розвивалася з давніх часів».

Спостереження «Чандри» також допомогли з’ясувати, яку роль відіграли чорні діри в «просвітленні» молодого Всесвіту — усуненні (іонізації) нейтрального водню, що його заповнював. Цей процес, який називають реіонізацією, відбувався під дією ультрафіолету. Якщо знову поглянути на наведені вище оцінки потоку рентгенівського випромінювання у двох енергетичних діапазонах, можна помітити, що значення для 2–8 кеВ майже вдесятеро перевищує величину, розраховану для 0,5–2 кеВ. Це свідчить, що чорні діри приховані газом і пилом, які ефективно поглинають випромінювання в усіх діапазонах, крім високоенергетичного рентгенівського. Отже, молоді чорні діри не могли бути потужними джерелами ультрафіолету, а реіонізацію здійснювали перші зорі Всесвіту.

Вигляд Chandra Deep Field South у різних масштабах і діапазонах спектра:

Віддалена галактика й молода чорна діра, прихована в її центрі:

Надмасивна чорна діра, що росте в молодій галактиці. Діра прихована пилом і газом, але високоенергетичне рентгенівське випромінювання долає цей бар’єр. (Ілюстрація НАСА / CXC / M. Weiss.)

Еволюція Всесвіту від часів Великого вибуху (ілюстрація НАСА / CXC / M. Weiss).

Повну версію звіту опубліковано в журналі Nature.

Підготовлено за матеріалами НАСА.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.