Черные дыры от «Чандры»

Астрофизики из Гавайского университета, Йеля, Мичиганского университета и Университета Ратгерса впервые обнаружили следы множества черных дыр, возникших в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва [1]. До сих пор удавалось зарегистрировать лишь отдельные черные дыры этого поколения, проявившие себя излучением рожденных ими квазаров. Авторы новой работы нашли возможность идентифицировать рентгеновские подписи большого количества не столь активных (и потому более типичных) дыр, появившихся в ту же эпоху.

Все дыры обнаружены в галактиках с красным смещением 8>z>6 (что соответствует возрасту Вселенной от 700 до 950 млн лет). Для их выявления исследователи изучили рентгеновские сигналы 197 звездных скоплений, сфотографированных в разные годы широкоугольной камерой орбитального телескопа «Хаббл». Все они по отдельности были исключительно слабы (в среднем менее пяти квантов на галактику), из-за чего ни одна черная дыра не могла быть обнаружена индивидуально. Однако суммирование и усреднение сигналов, исходящих от каждой галактики, позволило оценить полную рентгеновскую светимость отдельных дыр, которая в основном лежала в интервале 1042-1043 эрг/с (для сравнения: рентгеновская светимость индивидуально наблюдаемых квазаров превышает 3х1044 эрг/с). Также оказалось, что сигналы с энергиями квантов от 0,5 до 2 кэВ примерно в 9 раз слабее сигналов, регистрируемых в полосе 2-8 кэВ. Это свидетельствует о том, что черные дыры были окружены плотными скоплениями холодного газа (в основном водорода), которые куда сильнее поглощали мягкий рентген по сравнению с жестким.

Те же самые газовые облака почти полностью экранировали ультрафиолетовое и оптическое излучение черных дыр и тем самым практически аннулировали их вклад в процесс реионизации космического водорода. С другой стороны, отмечают авторы статьи, наличие газовых коконов обеспечивало интенсивную аккрецию газа на черные дыры и тем самым позволяло им расти куда быстрее, чем считалось до сих пор. Детали этого роста пока служат предметом споров, однако анализ излучения первых квазаров позволяет утверждать, что спустя 800-900 млн лет после Большого взрыва во Вселенной уже имелись дыры массой порядка миллиарда солнечных масс.

Авторы статьи в Nature пришли также к выводу, что древнейшие черные дыры эволюционировали параллельно со своими галактиками и примерно теми же темпами. Ученые полагают, что уже в ту эпоху от 30 до 100% галактик располагали черными дырами, расположенными в их ядрах. Отсюда следует, что Вселенная того времени содержала не менее 30 млн сверхмассивных черных дыр, что в несколько тысяч раз превышает теоретическую оценку общего количества квазаров того времени.

Правда, к этим выводам надо отнестись с известной осторожностью. Они покоятся на допущении, что черные дыры аккрецировали материю примерно с одной и той же скоростью в течение сотен миллионов лет. Однако эта гипотеза может и не оправдаться, поскольку аккреция (захват космическим телом вещества, падающего из окружающего пространства) отнюдь не обязана быть стабильной. Например, из модельных расчетов следует, что при слиянии галактик черные дыры образуют двойные системы, которые генерируют мощные гравитационные волны, уносящие газ из их окрестностей. Это и другие подобные затруднения удастся разрешить только после появления телескопов нового поколения, способных различать отдельные сверхслабые источники рентгеновского излучения.

Алексей Левин

1. Ezequiel Treister et al, Black hole growth in the early Universe is self-regulated and largely hidden from view, Nature, 474, 16 June 2011, 356-358, www.nature.com/nature/journal/v474/n7351/full/nature10103.html. Статья доступна в Архиве е-принтов arXiv:1106.3069.