eROSITA исследует сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной

Source: Russia Federal Space

#ИКИ РАН#Главное#Спектр-РГ13.07.2020 09:00
eROSITA исследует сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной
В центре нашей Галактики находится черная дыра массой 4 миллиона масс Солнца. Такие черные дыры есть в центрах почти всех галактик. Как правило, их масса больше: иногда не намного, а иногда она достигает нескольких миллиардов солнечных масс. Такие сверхмассивные черные дыры зародились много миллиардов лет назад, когда во Вселенной только начали возникать первые звезды и галактики, и росли за счет аккреции окружающего их вещества.
Этот процесс сопровождался выделением колоссальной энергии, что позволяет нам сейчас обнаруживать молодые и растущие массивные черные дыры по их электромагнитному излучению, испущенному много миллиардов лет назад. Такие объекты называются «квазары» или QSO — Quasi-Stellar Objects («квазизвездные объекты»). Исследование процесса зарождения и роста сверхмассивных черных дыр — одна из главных научных задач российской орбитальной обсерватории «Спектр-РГ», запуску которой с космодрома Байконур 13 июля исполняется ровно один год.
В начале июня 2020 года телескоп eROSITA, один из двух телескопов на борту обсерватории, завершил свой первый (из запланированных восьми) обзор всего неба в рентгеновских лучах. В ходе него было обнаружено более миллиона рентгеновских источников. Перед началом обзора, с целью поиска и исследования наиболее далеких и слабых объектов, телескоп eROSITA провел глубокое сканирование т.н. «дыры Локмана» — небольшого участка неба, в котором поглощение рентгеновских лучей межзвездным газом и пылью нашей Галактики минимально и меньше всего мешает наблюдениям внегалактических объектов.
Ученые из Института космических исследований под руководством члена-корреспондента РАН Марата Гильфанова и профессора РАН Сергея Сазонова работают над составлением каталога источников телескопа eROSITA и анализируют эти данные с целью поиска наиболее далеких и наиболее быстро растущих сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной. Нейронная сеть SRGz, созданная в ИКИ РАН под руководством кандидата физ.-мат. наук Александра Мещерякова, отобрала несколько десятков кандидатов в далекие квазары из более чем полумиллиона рентгеновских источников, обнаруженных eROSITA на половине неба, за обработку данных с которой отвечают российские ученые. Наиболее интересные из них были детально исследованы с помощью оптических телескопов в рамках программы наземной поддержки обзора неба «Спектра-РГ».
Уже в первых оптических наблюдениях были открыты ранее не известные далекие квазары. Среди них:
квазар на z=4,116, открытый на 1,6-метровом телескопе АЗТ-33ИК Саянской обсерватории Института солнечно-земной физики РАН в Бурятии;
квазар на z=4.237, открытый на Российско-Турецком 1,5-метровом телескопе (РТТ-150) в Турции;
квазар на z=4,576, открытый на 6-метровом телескопе БТА Специальной астрофизической обсерватории РАН в Карачаево-Черкессии.
Наблюдения проводились под руководством кандидата физ.-мат. наук Родиона Буренина и кандидата физ.-мат. наук Георгия Хорунжева из ИКИ РАН и профессора Ильфана Бикмаева из Казанского федерального университета. Кроме этого, наблюдения на 2,5-метровом телескопе Кавказской горной обсерватории Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ им. М.В. Ломоносова подтвердили, что ещё несколько объектов-кандидатов действительно являются квазарами.
Буква z обозначает «красное смещение» объекта, которое соответствует расстоянию до него. Красные смещения квазаров измеряются по положениям ярких эмиссионных линий в их спектрах. Главная из них — известная из школьного курса физики линия Лайман-альфа, возникающая при переходе электрона со второго на первый уровень в атоме водорода. В обычных условиях эта линия попадает в ультрафиолетовую часть спектра, но в спектрах далеких квазаров она оказывается в видимом диапазоне из-за большого красного смещения, вызванного расширением Вселенной.

Оптические спектры трех ранее неизвестных квазаров на красном смещении z>4, открытых телескопом eROSITA. Эти объекты были найдены нейронной сетью SRGz среди около полумиллиона источников, обнаруженных телескопом eROSITA, и их природа была подтверждена в ходе оптической спектроскопии на телескопах БТА, РТТ-150 и АЗТ-33ИК
Особый интерес представляют квазары на красных смещениях z>6, в эпоху, когда возраст Вселенной составлял менее миллиарда лет. До сих пор неясно, как за столь короткое по космическим масштабам время некоторые черные дыры смогли вырасти до колоссальных масс в несколько миллиардов масс Солнца. Другой важный вопрос современной астрофизики — взаимодействие между процессами формирования звезд в первых галактиках и ростом черных дыр в их ядрах. Не до конца исследована и роль квазаров в повторной ионизации Вселенной (200 миллионов — 1 миллиард лет после Большого взрыва). Из наблюдений в оптическом и инфракрасном диапазонах известно более 200 квазаров на z>6, однако рентгеновское излучение пока обнаружено лишь у примерно 20 из них.
В работе кандидата физ.-мат. наук Павла Медведева и его коллег из ИКИ РАН и КФУ сообщается об открытии телескопом eROSITA рентгеновского излучения от квазара CFHQS J1429+5447 на красном смещении z=6,2 (соответствует возрасту Вселенной около 900 миллионов лет). Этот квазар был известен по наблюдениям в видимом и радиодиапазонах, но рентгеновское излучение от него зарегистрировано впервые. По данным телескопа eROSITA, рентгеновская светимость квазара составляет около 3×1046 эрг в секунду, что в несколько раз превышает предыдущий рекорд для квазаров на z>6. С учетом же того, что квазар излучает во всем диапазоне электромагнитного спектра, от радио- до ультрафиолетового и рентгеновского, его полную светимость можно оценить ещё на порядок выше — около 3×1047 эрг в секунду. Для сравнения, суммарная светимость всех двухсот миллиардов звезд в нашей Галактике примерно в тысячу раз меньше! Это означает, что черная дыра в этом квазаре «весит» более 2 миллиардов масс Солнца, и она должна была «съедать» примерно по Земле каждую секунду на протяжении нескольких десятков миллионов лет.
Квазар CFHQS J1429+5447 попал в поле зрения телескопа eROSITA и был им зарегистрирован в ходе сканов неба 10-11 декабря 2019 года, в самом начале обзора всего неба обсерваторией «Спектр-РГ». Наблюдения на телескопе РТТ-150 показали, что оптический блеск квазара остался примерно таким же, как за 10 лет до этого, когда его открыл телескоп Канада-Франция-Гавайи.

Рентгеновское изображение квазара CFHQS J1429+5447 на z=6,2 по данным телескопа eROSITA (квазар в центре изображения)

Изображение квазара CFHQS в видимом диапазоне, полученное телескопом РТТ-150. 150 (положение квазара указано длинной косой чертой). Фотоны от квазара на этих изображениях были испущены 12,8 миллиарда лет назад при аккреции вещества на сверхмассивную черную дыру массой не менее 2 миллиардов солнечных
Квазар CFHQS J1429+5447 является «радиогромким», то есть испускает мощное радиоизлучение. Оно связано с джетами — струями вещества, которые выбрасываются из окрестности черной дыры почти со скоростью света. Медведев с коллегами предположили, что рекордная рентгеновская светимость этого квазара связана с обратным комптоновским рассеянием реликтового излучения Вселенной на релятивистском веществе джетов. Этот процесс особенно важен в ранней Вселенной, где плотность энергии реликтового излучения более чем на три порядка выше, чем вокруг современных нам объектов. Ученые ИКИ РАН продолжают поиск таких объектов в данных eROSITA.

MIL OSI