Американские астрономы представили экспериментальные свидетельства того, что чёрные дыры быстро росли вместе с галактиками в молодой Вселенной.

В некоторых квазарах, существовавших менее чем через миллиард лет после Большого взрыва, ранее уже находили чёрные дыры с массой, превышающей 10⁹ солнечных. Однако эти одиночные объекты не давали полного представления о развитии первых чёрных дыр во Вселенной; чтобы составить общую картину, авторы рассмотрели большую выборку галактик на красном смещении z = 6–8. Если перевести смещение во временные единицы, получим, что галактики представляются нам такими, какими они были через 0,95–0,7 млрд лет после Большого взрыва.

Свидетельством аккреции и роста чёрных дыр считается рентгеновское излучение, которое обнаруживала космическая обсерватория «Чандра». Экспериментальной основой работы стали продолжительные наблюдения двух участков неба: Chandra Deep Field South (CDF-S) в созвездии Печи и Chandra Deep Field North (CDF-N) в Большой Медведице. На изучение CDF-S «Чандра» потратила около четырёх миллионов секунд (более шести недель), а CDF-N просматривался «всего» два миллиона секунд.

Те же участки в оптическом и инфракрасном диапазонах наблюдал «Хаббл», по данным которого были отобраны кандидаты в молодые галактики. В пределах CDF-S учёные отыскали 371 объект на z ~ 6, 66 кандидатов на z ~ 7 и ещё 47 — на z ~ 8. К этой группе затем добавили 151 галактику на z ~ 6, найденную в площади CDF-N.

Ни одну из отобранных галактик «Чандра» не зарегистрировала, и астрономам пришлось складывать результаты наблюдений отдельных источников. Эту процедуру выполнили для 197 кандидатов в молодые галактики на z ~ 6, причём 151 объект взяли с CDF-S, а оставшиеся 46 — с CDF-N. Несложно рассчитать, что сложение даёт общую длительность экспозиции в 7•10⁸ с (около 23 лет).

Суммарное количество отсчётов определялось для каждого из двух соседних энергетических интервалов (0,5–2 кэВ и 2–8 кэВ), в которых работала «Чандра». Как оказалось, сложение позволяет выделить чёткий сигнал в обоих случаях; в нижнем энергетическом диапазоне на один источник приходится (3,40 ± 0,68)•10^–7 отсчёта в секунду, что соответствует потоку излучения в 2,3•10^–18 эрг/(см²•с), а в верхнем — (8,8 ± 1,3)•10^–7 отсчёта в секунду и 2,1•10^–17 эрг/(см²•с). Аналогичные расчёты провели для источников на z ~ 7 и z ~ 8, но здесь действительно значимый сигнал обнаружен не был.

При экстраполяции этих результатов на всю площадь неба можно вычислить, что в молодой Вселенной находилось как минимум 30 миллионов сверхмассивных чёрных дыр. «В современной Вселенной чёрные дыры и галактики растут параллельно, — замечает участница исследования Приямвада Натараджан (Priyamvada Natarajan) из Йельского университета. — Теперь мы доказали, что их взаимовыгодное сотрудничество развивалось с древних времён».

Наблюдения «Чандры» также помогли решить вопрос о том, какую роль сыграли чёрные дыры в «просветлении» молодой Вселенной — устранении (ионизации) заполнявшего её нейтрального водорода. Этот процесс, называемый реионизацией, разворачивался под действием ультрафиолета. Если снова взглянуть на приведённые выше оценки потока рентгеновского излучения в двух энергетических диапазонах, можно заметить, что значение для 2–8 кэВ почти в десять раз превосходит величину, рассчитанную для 0,5–2 кэВ. Это свидетельствует о маскировке чёрных дыр газом и пылью, эффективно поглощающими во всех диапазонах, кроме высокоэнергетичного рентгеновского. Следовательно, мощными источниками ультрафиолета молодые чёрные дыры быть не могли, а проводили реионизацию первые звёзды Вселенной.

Вид Chandra Deep Field South в разных масштабах и диапазонах спектра:

Удалённая галактика и спрятанная в её центре молодая чёрная дыра:

Растущая сверхмассивная чёрная дыра в молодой галактике. Дыра скрывается пылью и газом, но высокоэнергетичное рентгеновское излучение преодолевает этот барьер. (Иллюстрация НАСА / CXC / M. Weiss.)

Эволюция Вселенной со времён Большого взрыва (иллюстрация НАСА / CXC / M. Weiss).