Заря квазаров
Весной 2019 года мне довелось прочитать на Хабре о том, что впервые получен снимок чёрной дыры. Парой лет ранее я перевёл книгу «Большое космическое путешествие» Нила Деграсса Тайсона, Майкла Стросса и Ричарда Готта, и именно тогда заинтересовался классификацией и эволюцией чёрных дыр. Как известно, долгое время чёрная дыра считалась чисто теоретическим конструктом, существование которого прямо проистекает из общей теории относительности. При этом чёрная дыра (физическое тело или участок пространства, окружённые горизонтом событий), может возникать либо в результате коллапса звезды-гиганта, либо в результате скопления вещества в активном ядре галактики (AGN). Теоретически могут существовать и первичные чёрные дыры (PBH), которые пока описаны только на кончике пера, но есть нюансы. Сегодня поговорим о том, как именно может быть связана эволюция сверхмассивных чёрных дыр, сейфертовских галактик и, конечно же, квазаров.
Квазары — это экзотические космические объекты, определённые как класс и описанные в 1960-е годы. Первый квазар, 3C 48, был открыт в 1960 году Аланом Сэндиджем и Томасом Мэтьюзом, анализировавшими свежий радиообзор неба. Коллеги обнаружили, что участок в созвездии Треугольник сильно излучает в радиодиапазоне и другом длинноволновом спектре, но визуально в этой области неба не заметно практически ничего кроме тусклой звезды (16-я звёздная величина). Объект был занесён в каталог космических радиоисточников, а в течение 1960-х было открыто ещё четыре таких объекта. Название «квазар», которое они получили, означает «квазизвёздный радиоисточник».
Первоначально Сэндидж и Мэтьюз сочли, что наблюдают очень тусклый остаток от взрыва сверхновой, либо нейтронную звезду. Но в 1982 году вокруг 3C 48 была обнаружена «туманность», после чего астрономы измерили красное смещение у 3C 48 и у этой «туманности». Эти значения оказались огромными и при этом одинаковыми. Таким образом, «туманность» была далёкой галактикой, а «остаток звезды» — её активным ядром. Расстояние до 3C 48 составляет 3,9 миллиарда световых лет. Соответственно, квазар относительно компактен, возможно, сравним по размеру с Солнечной системой —, но излучает как миллионы звёзд, ярче, чем обычная галактика или даже несколько галактик. Его яркий свет наблюдается с Земли как радиоволны из-за сильнейшего доплеровского эффекта. В течение 1980-х теорию светимости квазаров сформулировал британский астрофизик Дональд Линден Белл, однако в конце 1960-х никто бы не стал всерьёз сравнивать квазар с активным галактическим ядром. Термин «чёрная дыра» вообще появился только в 1967 году, его придумал Джон Уилер, продолжавший разработку общей теории относительности.
В начале 1970-х активно изучалась центральная часть Млечного Пути, которая при наблюдении с Земли расположена в созвездии Стрельца. В 1971 году по конфигурации звёздных орбит в этом регионе можно было предположить, что все центральные звёзды обращаются вокруг компактного объекта, масса которого составляет 105—1011 солнечных,
причём, сам этот объект ничего не излучает. По свойствам это могла быть только
чёрная дыра.
Сверхмассивная чёрная дыра в центре галактики М87. Это первое в истории изображение чёрной дыры получено в 2019 году
Но в 1970-е версия о том, что в центре нашей Галактики находится сверхмассивная чёрная дыра, не увязывалась с другим открытием, сделанным в 1943 году. Это открытие принадлежит американскому астроному Карлу Сейферту, который обнаружил, что небольшое подмножество галактик обладает не тусклыми, а, напротив, сияющими активными ядрами. Ядро сейфертовской галактики (таких галактик около 10% от общего количества) излучает в ультрафиолетовом спектре. При этом оно окружено плотными облаками межзвёздного газа; проходя через них, ультрафиолетовые волны удлиняются и попадают в видимый спектр.
Таким образом, к концу XX века о квазарах были известны следующие ключевые факторы.
Все квазары расположены очень далеко от нас, в миллиардах световых лет. Можно предположить, что пик активности квазаров во Вселенной прошёл 10 миллиардов лет назад
Квазар — это компактное галактическое ядро, отчасти похожее на ядро такого типа, что наблюдается в сейфертовской галактике. Однако на самом деле квазар в тысячи раз ярче целых галактик
Квазар быстро обращается вокруг своей оси (именно этим может объясняться быстрое изменение светимости, зафиксированное у некоторых квазаров)
Квазар кажется радиогалактикой, так как его излучение чрезвычайно удлиняется в результате доплеровского эффекта.
В начале 2010-х Майкл Стросс попытался объяснить, почему природа квазаров именно такова. Но, прежде, чем ответить на этот вопрос, давайте углубимся в детали.
Активные галактические ядра
Традиционно эволюция активных галактических ядер и квазаров понималась как постепенное изменение функции их светимости или пространственной плотности. Визуально такое изменение выражается в виде красного смещения в распределении спектральной энергии или в спектрах эмиссионных линий активных ядер. Поскольку сверхмассивные чёрные дыры расположены в центрах большинства галактик, их образование (аккреция) является прямым следствием эволюции галактик. Таким образом, можно говорить о коэволюции сверхмассивных чёрных дыр и галактик.
Однако квазар — это максимально активное галактическое ядро, и все наблюдаемые квазары очень древние. Возможно ли, что у нас не хватает наблюдательных мощностей, чтобы зафиксировать юный (ещё не разгоревшийся) квазар, либо такие объекты давно перестали формироваться? Из обсерваторий, которые могли бы приблизить нас к ответу на этот вопрос, следует отметить космический телескоп «Чандра» (запущен в 1999 году), позволивший картировать и классифицировать множество сверхмассивных чёрных дыр, а также аналогичный многозеркальный телескоп «XMM-Newton» (1999), позволяющий изучать небо как в рентгеновском спектре, так и в радиодиапазоне. Также квазары являются важной целью телескопа «Джеймс Уэбб». В 2021 году он позволил установить, что квазары действительно образовывались в эпоху реионизации, на том этапе развития Вселенной, когда её свойства существенно отличались от современных. Суть реоинизации заключалась в том, что во Вселенной активно образовывались квазары, наполнявшие пространство потоками плазмы, из которых смогли возникнуть первые звёзды.
Эта модель позволяет предположить, что первые квазары сформировались менее чем через миллиард лет после Большого взрыва. 29 июня 2011 года было объявлено об открытии наиболее удалённого и древнего квазара ULAS J1120+0641. Судя по красному смещению, возраст этого объекта составляет 12,9 миллиардов лет. Таким образом, он всего на 770 миллионов лет моложе Вселенной, и логично задуматься:, а могла ли за такой срок образоваться сверхмассивная чёрная дыра? Иными словами, современные космологические модели не позволяют объяснить, как эти огромные объекты могли так быстро набрать массу и собрать вещество. Существуют разные модели эволюции сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной, и исключить какие-либо из этих моделей можно было бы лишь в случае, если бы мы могли наблюдать чёрные дыры на ранних стадиях эволюции. Естественно, «наблюдать» чёрную дыру в оптическом смысле невозможно, но многое можно было бы прояснить, найдя новорождённый квазар. Возможно, именно такое открытие и было сделано в апреле 2022 года. Группа европейских учёных из Дании, Франции, Италии и Швейцарии объявила, что на снимках телескопа «Хаббл» найден «газопылевой компактный объект, занимающий промежуточное положение между галактикой и квазаром». Время его формирования — примерно 700 миллионов лет после Большого Взрыва. Спектр GNz7q был проанализирован по данным с Хаббла, и выяснилось, что интенсивность излучения резко падает на длинах менее 1 мкм.
Первым делом требовалось доказать, что этот объект, названный GNz7q, действительно является квазаром или прото-квазаром. Действительно, длина волны в 1216 ангстрем (около 1 мкм) соответствует так называемому разрыву Лаймана. При энергиях выше этого предела (соответственно, для волн короче 1 мкм) излучаемые фотоны достаточно активны, чтобы спровоцировать ионизацию водорода и его поглощение окружающим газом. Этот разрыв очень чётко виден на спектрограмме и позволяет точно определить красное смещение. Оказалось, что красное смещение GNz7q (z) составляет 7,1899 — то есть, оно даже выше, чем у квазаров, чей диапазон красного смещения (в зависимости от удалённости) равен от 0,16 до 5. Это означает, что GNz7q древнее всех известных квазаров. Он отличается от квазаров и на качественном уровне — так, он почти не фонит в рентгеновском диапазоне, а также не даёт ультрафиолетового излучения, которое следовало бы ожидать при наблюдении квазара. Более того, оценочная светимость GNz7q в инфракрасном спектре позволяет предположить, что в этом объекте идёт активное звездообразование — более 1500 солнечных масс. Аналогичный показатель в Млечном пути составляет 1 солнечную массу в год. Поэтому логично заключить, что (многие) древнейшие галактики в ходе своего развития прошли стадию квазара.
Здесь возникает следующий вопрос: есть ли у квазара радиус, аналогичный радиусу Шварцшильда? В 1917 году Карл Шварцшильд (кстати, в переводе с немецкого его фамилия означает «чёрный щит») рассчитал, что любая звезда, сжатая до критического радиуса, становится настолько тяжёлой (и приобретает настолько высокую плотность), что за её пределы не может вырваться никакая материя — для этого пришлось бы превысить скорость света. Он описывал тела, которые сегодня понимаются как чёрные дыры со звёздными массами, но аналогичный горизонт событий существует и у сверхмассивной, и потенциально у первичной чёрной дыры.
Именно на радиусе Шварцшильда наблюдается бурная электромагнитная активность, возникающая при поглощении межзвёздного газа чёрной дырой. Вокруг есть, вокруг чёрной дыры формируется аккреционный диск. В 2000 году данная физическая картина была систематизирована в статье, подготовленной под руководством Алексея Филиппенко из Калифорнийского университета и Луиса Хо из обсерватории института Карнеги в Вашингтоне.
Сияющие дыры
Теоретически квазар мог бы представлять собой «сверхразвитую» супермассивную чёрную дыру. Это допущение потребовало бы не только пересмотреть возраст Вселенной, значительно его увеличив, но и пошатнуло бы инфляционную модель и теорию расширяющейся Вселенной. Светимость квазара могла бы объясняться и тем, что данное галактическое ядро окружено плотным облаком тёмной материи, которую мы не наблюдаем, но видим, как она сваливается в ядро, излучая при этом фотоны сразу во всём спектре. Большинство квазаров одновременно испускают видимый свет, радиоволны, рентгеновское излучение; также известны квазары, значительная доля спектра которых приходится на гамма-излучение. Кроме того, многие квазары испускают электромагнитные импульсы с периодичностью от нескольких месяцев до нескольких лет.
Кроме того, известно, что из квазаров вырываются сильнейшие ветры, достигающие до 40% скорости света. Уже установлено, что в этих ветрах содержатся химические элементы значительно тяжелее водорода и гелия (как минимум, до железа). Это само по себе любопытно, так как квазары оказываются древнейшим источником сравнительно тяжёлых элементов, в том числе, всех биологически важных элементов, но здесь правильнее сформулировать иной вопрос: если квазар возникает в результате дальнейшего развития сверхмассивной чёрной дыры, то значит ли это, что бывший горизонт событий этой дыры становится проницаемым?
То есть, что часть материи может быть выдута из чёрной дыры, когда дыра превратится в квазар. Возможные физические механизмы такого явления пока плохо понятны, но можно предположить, что всё дело в исключительной силе магнитных полей вокруг квазара — они перекрывают гравитацию чёрной дыры и вытаскивают из неё часть материи в виде такого ветра. До подтверждения этой гипотезы ещё далеко, но на участии магнитных полей в конфигурации горизонта событий я надеюсь остановиться в одной из следующих публикаций.
Заключение
Поэтому по бритве Оккама я предпочёл бы остановиться на точке зрения Майкла Стросса, изложенной в книге «Большое космическое путешествие». Вероятно, квазары — это не поздняя, а ранняя стадия развития сверхмассивных чёрных дыр. На момент реионизации высокая плотность вещества во Вселенной создала условия для формирования таких чёрных дыр в центрах спиральных галактик. Густое межзвёздное вещество, утекающее за горизонты событий как в воронки, становится недоступно для наблюдения –, но остающееся от него излучение фиксируется на миллиарды световых лет вокруг. Именно этим и может объясняться чрезвычайная удалённость квазаров. Эти радиоисточники находятся не только далеко, но и давно от нас — поэтому мы видим их такими, какими они были миллиарды лет назад. Не исключено, что на месте большинства сверхмассивных чёрных дыр когда-то горели большие и малые квазары, и теперь мы можем наблюдать только последние отсветы той эпохи, когда квазары были повсеместно распространены во Вселенной.
