Астронет: Н.Т. Ашимбаева/ГАИШ Обнаружен наиболее удаленный квазар http://variable-stars.ru/db/msg/1252717

Обнаружен наиболее удаленный квазар
5.07.2011 17:00 | Н.Т. Ашимбаева/ГАИШ, Москва

Группа европейских астрономов с помощью Very Large Telescope Европейской южной обсерватории и ряда других телескопов открыла и исследовала самый удаленный квазар. ULAS J1120 +0641 "питается" от черной дыры с массой в два миллиарда раз больше, чем масса Солнца, таким образом являясь самым ярким объектом из обнаруженных в ранней Вселенной.

Квазары являются очень яркими, далекими галактиками со сверхмассивными черными дырами в их центрах. Их блеск делает их своеобразными мощными маяками, которые могут помочь исследовать эпоху, когда формировались первые звезды и галактики. Вновь открытый квазар расположен так далеко, что его свет несет информацию о последних этапах эпохи реионизации. Около 300 000 лет после Большого взрыва, который произошел 13,7 млрд лет назад, Вселенная была охлаждена достаточно для того, чтобы электроны и протоны могли объединиться с образованием нейтрального водорода. Вселенная была нейтральной до того момента, как начали образовываться первые звезды - примерно через 100-150 миллионов лет. Их интенсивное ультрафиолетовое излучение вновь разрушало атомы водорода на протоны и электроны - этот процесс и называется реионизацией - делая Вселенную более прозрачной для ультрафиолетового света. Считается, что эта эпоха длилась между 150 - 800 миллионами лет после Большого Взрыва (между значениями красного смещения - 6-15). Квазары, образовавшиеся в эту эпоху, служат своеобразным зондом, фоновым источником для исследования окружающей межгалактической среды. Излучение квазара поглощается нейтральным водородом, и в спектре наблюдается поглощение в линии Лайман-α. По форме поглощения можно делать предположения о степени ионизации среды, а также нескольких других параметрах.

Исследования показали, что при z ниже 6 водород в межгалактической среде полностью ионизован, хотя отдельные фракции нейтрального водорода есть и на значениях z=6.4. В комбинации с данными по исследованию реликтового излучения можно сделать вывод, что повторная ионизация, реионизация, произошла на красных смещениях больше 6.4.

Вновь открытый квазар ULAS J1120 +0641, имеет красное смещение 7,085, т.е. образовался всего 770 миллионов лет после Большого Взрыва. Известны более удаленные объекты, например, гамма-всплеск на красном смещении 8.2 и галактика с красным смещением 8,6. Кроме того, есть кандидат на самый удаленный объект с красным смещением z = 10,3 - UDFj-39546284. Но вновь открытый квазар в сотни раз ярче, чем эти объекты.

Самым удаленным квазаром до этого был квазар, образовавшийся 870 миллионов лет после Большого Взрыва (красное смещение 6,4). Объекты на таких расстояниях и дальше не могут быть обнаружены в видимом свете, так как их свет из-за расширения Вселенной к тому времени как он достигает Землю, попадает в основном в инфракрасную область спектра. Инструмент инфракрасного глубокого обзора неба UKIRT - Infrared Deep Sky Survey (UKIDSS), установленный на инфракрасном телескопе на Гавайях, был разработан, чтобы решить эту проблему. Группа астрономов буквально просеивала миллионы объектов в базе данных UKIDSS, чтобы найти тот, который мог быть долгожданным далеким квазаром.

Потребовалось пять лет, чтобы найти этот объект", объясняет Брэм Венеманс (Bram Veneman), один из авторов исследования. "Мы искали квазар с красным смещением выше, чем 6.5. Обнаружение квазара на красном смещении выше, чем 7, было захватывающим сюрпризом. Теперь удалось заглянуть вглубь эпохи реионизации; этот квазар представляет собой уникальную возможность продвинуться еще на 100 миллионов лет вглубь истории космоса, который был ранее вне досягаемости.

Расстояние до квазара было определено из наблюдений, сделанных с помощью инструмента FORS2 на телескопе Very Large Telescope ESO (VLT) и на телескопе Gemini North. Поскольку объект является сравнительно ярким, удалось получить его спектр.

Что можно сказать о состоянии ионизации среды в промежутке значений z = 6-7.085? Спектр квазара ULAS J1120+0641 показывает особенность, известную как эффект Ганна-Петерсона. (Этот эффект был теоретически вычислен в 1965 году Джеймсом Ганном и Брюсом Петерсоном). Суть его заключается в следующем. Излучение от квазара, проходя через облака нейтрального водорода, поглощается его молекулами. Из-за красного смещения поглощение в линии Лайман-α наблюдается в красной области, происходит своеобразное выедание профиля линии (см. Рис.1). Чем дальше квазар, тем больше облаков газа на луче зрения, тем больше провал в линии. По величине провала можно делать оценки о количестве и степени ионизации водорода. Этот эффект прекращается с началом эпохи реионизации.

Рисунок 1. Схематическое изображение линии Лайман-α спектра излучения ULAS J1120+0641. Синяя кривая показывает гипотетическое излучение, которое имел бы квазар на z=7, погруженный в нейтральную межгалактическую среду. Красная кривая - то, что наблюдается при поглощении нейтральным водородом. Это обусловлено эффектом Ганна-Петерсона: на графике образуется впадина (желоб) из-за поглощения в межгалактической среде вдоль луча зрения. Эффект демпфирования крыла происходит из-за поглощения, но, в отличие от эффекта Ганна-Петерсона, в этом случае требуется очень высокая концентрация нейтрального водорода. Размер области зависит от нескольких факторов, в частности, от нейтральности среды. (Изображение: Chris Willott)

По расчетам авторов должно быть только около 100 ярких квазаров с красным смещением выше 7 по всему небу. Обнаружение этого объекта требовало кропотливого поиска, но это стоило всех усилий, чтобы иметь возможность разгадать некоторые тайны ранней Вселенной.

Эти наблюдения показали, что масса черной дыры в центре ULAS J1120+0641 составила около двух миллиардов масс Солнца. Такую величину массы объекта сложно объяснить на таких ранних стадиях после Большого Взрыва. Современные теории для роста сверхмассивных черных дыр показывают медленный рост массы компактного объекта из-за аккреции вещества из окружающей среды. Согласно этим моделям масса черной дыры квазара не должна быть выше, чем одна четвертая полученного значения массы для ULAS J1120+0641.

Все массивные галактики, включая и нашу собственную, содержат в центре черные дыры массой больше 1 миллиона масс Солнца. Согласно современным представлениям они образуются путем аккреции вещества на центральный объект или в результате слияния черных дыр меньших масс. Первые черные дыры образовывались в результате взрыва сверхновых или коллапса массивных в миллион масс Солнца газовых облаков.

Какой сценарий выбрать? Сложность заключается в том, что оцененная масса квазара слишком велика. Чтобы ее набрать за столь короткое время (700 млн.лет) надо было иметь прогенитор (progenitor) с массой по крайней мере в полмиллиона масс Солнца или должно было произойти слияние нескольких тысяч остатков массивных звезд в центре галактики.

Все это в очередной раз означает, что существующие модели роста этих объектов, возможно, должны быть пересмотрены.

Результаты открытия изложены в журнале Nature за 30 июня 2011 - статья и статья.