За плотными облаками пыли и газа, которые окутывали молодую Вселенную, формируются будущие сверхмассивные черные дыры, постепенно увеличивающие свою массу. Обнаружить их сквозь такую завесу оказалось сложной задачей, однако исследователи разработали новый метод, основанный на нагреве окружающей среды. Впервые им удалось увидеть структуру молекулярного газа вблизи древней черной дыры.
Как образовались сверхмассивные черные дыры, которые сегодня располагаются в центрах галактик, исходя из небольших исходных объектов? Если бы они увеличивались в массе исключительно за счет аккреции вещества, им бы не хватило времени для достижения нынешних размеров. Согласно одному из предложенных сценариев, их рост происходил посредством слияния насыщенных газом галактик.
В результате слияния галактик начинается интенсивное звездообразование, а вокруг центра формируется «кокон» из вещества, который оперативно пополняет центральную сверхмассивную чёрную дыру, что приводит к возникновению квазара. Обычно этот «кокон» подвергается сильному нагреву, поэтому квазары — одни из самых ярких объектов в космосе. Но у первых галактик эти «коконы» были очень плотными.
По оценкам ученых, около половины квазаров, существовавших во Вселенной 2,1 миллиарда лет назад, были скрыты дисками из пыли и газа. Этот процент возрастает по мере приближения к эпохе Большого взрыва. Тем не менее, астрономам удалось разработать метод их обнаружения и, что особенно важно, изучить изменения, происходящие с горячим газом вблизи активного ядра.
В центре внимания ученых оказался один из наиболее заметных древних квазаров — J2310+1855. Его красное смещение составляет около шести, что позволяет увидеть его в том виде, в котором он существовал в эпоху, когда Вселенной было 942 миллиона лет. Наблюдения проводились с использованием радиообсерватории ALMA.
Авторы научной работы, опубликованной в журнале Nature Astronomy, анализ показал, что газ в галактике сконцентрирован вблизи ее центра, что свидетельствует о недавнем слиянии двух галактик. Для изучения распределения молекулярного газа в центральных областях астрономы обычно исследуют холодный газ. Однако в данном случае ученые проследили излучение очень горячего монооксида углерода, нагретого рентгеновским излучением от аккреционного диска черной дыры.
Молодые звезды также способны значительно нагревать газ, согласно теоретическим моделям. В галактике J2310+1855 ежегодно формируется до трех тысяч солнечных масс вещества. Согласно новым расчетам, даже интенсивное излучение молодых звезд не способно обеспечить необходимый нагрев. Таким образом, источником энергии является активное ядро галактики.
Благодаря своему расположению, когда он обращен к нам «верхушкой», астрономам удалось обнаружить и исследовать скрытый квазар. Если бы мы наблюдали за ним сбоку, аккреционный диск полностью бы заслонил его от оптических и рентгеновских телескопов. Теперь ученые могут использовать линии сильного нагретого монооксида углерода для поиска скрытых квазаров в ранней Вселенной.
«Наше исследование показало, что интенсивное рентгеновское излучение, исходящее от вещества, аккрецирующего на черную дыру, в сочетании с мощными потоками газа и ударными волнами, приводит к нагреву вещества до температур, значительно превышающих те, что характерны для обычных галактик, где основным источником энергии является ультрафиолетовое излучение звёзд. Поскольку радиоволны, зафиксированные телескопом ALMA, слабо поглощаются пылью, разработанный нами метод представляет собой эффективный способ обнаружения скрытых сверхмассивных чёрных дыр», — объяснил Соавтором новой работы выступил Такафуми Цукуи, исследователь из Австралийского национального университета.
Не исключено, что в центре каждого квазара находится газ, нагретый рентгеновским излучением, однако на данный момент было изучено лишь один подобный объект, несмотря на уверенность авторов в сделанных заключениях. Известно множество галактик, скрытых плотными облаками пыли и газа, которые могут оказаться квазарами в «коконах». Также космический телескоп «Джеймс Уэбб» уже засек менее ярких кандидатов в квазары с запыленными центральными областями. С помощью ALMA можно более пристально изучить эти объекты и пополнить наши знания о разных стадиях и траекториях эволюции квазаров.