Великий космический обжора: черная дыра, которая ест в 13 раз быстрее, чем разрешает физика

Японские астрономы обнаружили в ранней Вселенной квазар с необычными свойствами: сверхмассивная черная дыра в его центре растет с экстремальной скоростью и при этом одновременно активно излучает в рентгеновском и радиодиапазонах. Объект нашли исследователи из университетов Васэда и Тохоку. По их данным, сочетание таких характеристик плохо укладывается в существующие теоретические модели и показывает, что физика раннего космоса до сих пор остается во многом не до конца понятной.

Наблюдения велись с помощью телескопа Subaru. Ученые зафиксировали квазар в эпоху, когда возраст Вселенной не превышал 1,5 млрд лет. В этот период галактики только формировались, а массивные объекты в их центрах, согласно большинству моделей, еще не должны были успеть набрать огромную массу. Тем не менее найденный источник уже тогда представлял собой активную сверхмассивную черную дыру, которая интенсивно поглощала окружающее вещество.

Рост таких объектов обычно происходит за счет газа из окружающей галактики, в основном водорода и гелия. По мере падения вещества внутрь формируется горячая плазменная область, так называемая корона, которая начинает излучать в рентгеновском диапазоне. В ряде случаев дополнительно возникает релятивистская струя вещества, выбрасываемая из окрестностей черной дыры и хорошо заметная в радиодиапазоне. При слишком быстром притоке газа излучение начинает отталкивать новое вещество, замедляя процесс. Так формируется так называемый предел Эддингтона, который по сути задает максимальную скорость роста.

Иногда возможны кратковременные фазы, когда этот предел превышается. Такой режим называют сверхэддингтоновской аккрецией. В теории он позволяет черной дыре быстро набирать массу за короткое космическое время, но при этом модели обычно предсказывают ослабление рентгеновского излучения и затухание струй выброса вещества. Именно поэтому сочетание интенсивного роста, мощной короны и активного радиоджета считается крайне маловероятным.

Для оценки параметров объекта команда использовала ближне-инфракрасный спектрограф MOIRCS на телескопе Subaru. По спектральной линии магния Mg II удалось измерить скорость движения газа вблизи центра и оценить массу черной дыры. Анализ рентгеновских данных показал, что поглощение вещества происходит примерно в 13 раз быстрее теоретического предела Эддингтона. По меркам объектов такого масштаба это один из самых высоких известных темпов роста.

Дополнительные наблюдения зафиксировали одновременно яркое рентгеновское свечение и сильное радиоизлучение. Эти данные указывают на активную горячую корону и мощную струю выброса вещества. Именно такое сочетание противоречит большинству моделей сверхэддингтоновской аккреции, которые предполагают, что при экстремальном росте подобные структуры должны ослабевать или исчезать.

Исследователи предполагают, что объект удалось зафиксировать в короткой переходной фазе. В этот момент резкий приток газа вывел систему за предел Эддингтона, но рентгеновская корона и радиопоток еще не успели угаснуть. Такие состояния, по расчетам, должны быть кратковременными и потому крайне редко попадают в поле зрения телескопов.

Если эта интерпретация подтвердится, наблюдение станет редким снимком нестационарного роста черных дыр в ранней Вселенной. Подобные процессы сложно зафиксировать напрямую, но именно они могут объяснять, как массивные объекты успевали быстро набирать массу в первые миллиарды лет после Большого взрыва. Кроме того, активные струи выброса вещества способны влиять на формирование звезд в молодых галактиках, изменяя темпы их роста и структуру.