«Примечательно, что такие массивные плотные объекты смогли сформироваться так скоро после Большого взрыва», – сказал Майкл Штраус, 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 сложной задачей для наших космологических моделей."
Это открытие значительно увеличивает количество черных дыр, известных в ту эпоху, и впервые показывает, насколько они распространены в начале истории Вселенной. Кроме того, он позволяет по-новому взглянуть на влияние черных дыр на физическое состояние газа в ранней Вселенной в течение ее первого миллиарда лет. Исследование опубликовано в серии из пяти статей, опубликованных в The Astrophysical Journal и Publications Астрономической обсерватории Японии.
Сверхмассивные черные дыры, обнаруженные в центрах галактик, могут быть в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца. Хотя они распространены сегодня, неясно, когда они впервые сформировались и сколько существовало в далекой ранней Вселенной. Сверхмассивная черная дыра становится видимой, когда на нее накапливается газ, заставляя ее сиять как "квазар"."Предыдущие исследования касались только очень редких, самых ярких квазаров и, следовательно, самых массивных черных дыр.
Новые открытия исследуют популяцию более слабых квазаров, питаемых черными дырами с массами, сопоставимыми с массами большинства черных дыр, наблюдаемых в современной Вселенной.
Исследовательская группа использовала данные, полученные с помощью передового прибора «Hyper Suprime-Cam» (HSC), установленного на телескопе Subaru Национальной астрономической обсерватории Японии, который расположен на вершине Маунакеа на Гавайях. HSC имеет гигантское поле зрения – 1.77 градусов в поперечнике, или в семь раз больше площади полной Луны, установленный на одном из крупнейших телескопов в мире. Команда HSC изучает небо в течение 300 ночей телескопического времени в течение пяти лет.
Команда выбрала далеких кандидатов в квазары из конфиденциальных данных обзора HSC. Затем они провели интенсивную кампанию наблюдений, чтобы получить спектры этих кандидатов, используя три телескопа: телескоп Subaru; Gran Telescopio Canarias на острове Ла-Пальма на Канарских островах, Испания; и Южный телескоп Близнецов в Чили. Обзор выявил 83 ранее неизвестных очень далеких квазара. Вместе с 17 квазарами, уже известными в регионе обзора, исследователи обнаружили, что на кубический гига-световой год приходится примерно одна сверхмассивная черная дыра – другими словами, если вы разбили Вселенную на воображаемые кубы размером в миллиард световых лет. сбоку каждая будет содержать одну сверхмассивную черную дыру.
Выборка квазаров в этом исследовании находится на расстоянии около 13 миллиардов световых лет от Земли; другими словами, мы видим их такими, какими они были 13 миллиардов лет назад. Как произошел Большой взрыв 13.8 миллиардов лет назад, мы эффективно оглядываемся назад во времени, наблюдая эти квазары и сверхмассивные черные дыры в том виде, в каком они появились всего примерно через 800 миллионов лет после создания (известной) Вселенной.
Широко признано, что водород во Вселенной когда-то был нейтральным, но был «реионизирован» – разделен на составляющие его протоны и электроны – примерно в то время, когда в мире зародилось первое поколение звезд, галактик и сверхмассивных черных дыр. первые несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Это веха в космической истории, но астрономы до сих пор не знают, что обеспечило невероятное количество энергии, необходимое для реионизации.
Убедительная гипотеза предполагает, что в ранней Вселенной было намного больше квазаров, чем было обнаружено ранее, и именно их интегрированное излучение реионизировало Вселенную.
«Однако количество наблюдаемых нами квазаров показывает, что это не так», – объяснил Роберт Луптон, доктор философии из Принстона 1985 года.D. выпускник, который является старшим научным сотрудником в области астрофизики. "Число видимых квазаров значительно меньше, чем необходимо для объяснения реионизации."Таким образом, реионизация была вызвана другим источником энергии, скорее всего, многочисленными галактиками, которые начали формироваться в молодой Вселенной.
Настоящее исследование стало возможным благодаря ведущим в мире исследовательским возможностям Subaru и HSC. «Обнаруженные нами квазары станут интересным предметом для дальнейших наблюдений на нынешних и будущих объектах», – сказал Йошики Мацуока, бывший научный сотрудник Принстонского университета, работающий сейчас в Университете Эхимэ в Японии, который руководил исследованием. «Мы также узнаем о формировании и ранней эволюции сверхмассивных черных дыр, сравнив измеренную плотность числа и распределение светимости с предсказаниями теоретических моделей."
Основываясь на достигнутых результатах, команда с нетерпением ждет возможности найти еще более далекие черные дыры и узнать, когда во Вселенной появилась первая сверхмассивная черная дыра.