С помощью гравитации Эйнштейна и мощности космического телескопа Хаббла это самый яркий квазар, который мы когда-либо обнаруживали.
В астрономии есть два типа вопросов, на которые нужно ответить: простые и сложные. Простые вопросы касаются близлежащих объектов, которых много и их легко увидеть; твердые включают удаленные объекты, которые редки и их трудно найти. Во многих отношениях самые большие вопросы связаны с определением того, что происходит в величайших космических экстремальных условиях.
В новой захватывающей находке астрономы объявили о рекордном квазаре в ранней Вселенной: ярче 600 триллионов Солнц. С его светом, пришедшим к нам 13 миллиардов лет назад - всего через 800 миллионов лет после Большого взрыва - его яркость означает, что он питается от черной дыры, масса которой в 10 миллиардов раз превышает массу нашего Солнца.
Но этот вывод совершенно неверен. Нас обманывает причуда теории относительности Эйнштейна, и мы прекрасно понимаем, почему.
Представьте, что у вас есть яркая лампочка. Когда вы включаете выключатель, он нагревает свою нить накала и ярко светит, так как питается от стандартной цифры: 100 Вт. Вы можете стоять на определенном расстоянии от него и точно предсказать, насколько ярким он должен казаться. И это работает и в обратную сторону: если вы можете измерить расстояние до него и то, насколько ярким он кажется, вы можете точно определить, насколько он светится сам по себе.
Но здесь есть одна оговорка. Вы должны убедиться, что ничто не увеличивает тот свет, который вы видите из своего местоположения в космосе. Если бы вы посмотрели на эту лампочку через увеличительное стекло, вы бы все равно правильно измерили расстояние, но вы бы измерили видимую яркость, которая была искусственно увеличена. Чем больше увеличительная способность вашего объектива, тем больше искусственное усиление. Если бы вы попытались сделать вывод о том, насколько яркой была ваша лампочка на самом деле, вы бы склонились к неверному ответу, поскольку большее увеличение искажало ваши результаты в большей степени.
В космосе нет увеличительных стекол, но есть вполне реальный феномен гравитационного линзирования. Когда вы смотрите на удаленный объект во Вселенной, существует вполне реальная возможность наличия большой массы, существующей вдоль линии вашего взгляда по отношению к тому, что вы наблюдаете.
В теории относительности Эйнштейна масса заставляет ткань пространства-времени искривляться, а большие массы вызывают большую кривизну. Путь света от удаленного объекта, проходящего через область сильно искривленного пространства-времени, будет искажен. Если искажение достаточно велико, оно может вызвать множество эффектов, включая растяжение наблюдаемого изображения, создание нескольких изображений и большое увеличение света, исходящего от источника.
Когда дело доходит до самых ярких объектов в ультрадалекой Вселенной, мы не используем лампочки. Мы даже не используем звезды, галактики или сверхновые; на таких больших расстояниях единственные отдельные объекты, которые можно увидеть в большом количестве, - это квазары. Вскоре после Большого взрыва во Вселенной впервые образовались звезды, что привело к появлению черных дыр, слияний и галактик. Со временем в центрах этих молодых галактик появились первые сверхмассивные черные дыры.
Эти черные дыры, когда в принимающих их галактиках происходят большие вспышки звездообразования, могут аккрецировать и поглощать большое количество материи. При этом черные дыры растут, а окружающие их области излучают большое количество электромагнитного излучения, от радиодиапазона спектра до рентгеновского. Основываясь на наблюдаемом нами излучении, мы можем реконструировать всевозможные свойства этих квазаров и галактик, в которых они обитают.
Этот недавно идентифицированный квазар называется J043947.08+163415.7, для краткости мы назовем его J0439. Он был обнаружен в ходе широкомасштабного исследования в 2017 году, а в прошлом году получил последующие наблюдения от Хаббла. И - как вы и надеялись с помощью лампочки - мы смогли измерить расстояние и яркость этого объекта.
Мы можем с очень высокой точностью измерить, насколько далеко находится этот квазар, и получить значение, применив то, что мы знаем о расширяющейся Вселенной: расстояние 28,1 миллиарда световых лет.
Мы можем с очень высокой точностью измерить яркость квазара, собирая его свет, и это дает нам прямое измерение видимой яркости.
И, сложив эти две цифры вместе, мы получим цифру собственной светимости квазара: в 600 триллионов раз больше яркости Солнца.
Если бы это было правдой, этот объект был бы самым ярким объектом, обнаруженным нами на таком большом расстоянии. В настоящее время мы знаем о сотнях квазаров, обнаруженных на столь же экстремальных расстояниях, яркость которых колеблется от нескольких триллионов до примерно 300 триллионов светимости Солнца. Таким образом, этот новый квазар, J0439, теперь более чем в два раза ярче следующего по яркости. Некоторые даже утверждают, что это может быть самый яркий квазар в ранней Вселенной.
Чтобы дать вам представление о том, насколько экстремальным может быть такой квазар, мы можем сделать вывод о массе его центральной черной дыры на основе ее яркости: 10 миллиардов солнечных масс. Мы можем сделать вывод о скорости звездообразования для галактики, в которой она находится: 10 000 солнечных масс новых звезд в год.
Для сравнения, наш Млечный Путь имеет сверхмассивную черную дыру с массой всего 4 миллиона солнечных и ежегодно формирует новые звезды массой менее 1 солнечной массы.
Было обнаружено около 500 квазаров, которые пришли к нам с очень ранних времен: когда Вселенной было менее 1,2 миллиарда лет. Ни одна из них не является такой яркой, не имеет таких массивных черных дыр и не предполагает такой высокой скорости звездообразования. Если бы этот квазар был таким ярким, как предполагают эти наблюдения, он вполне мог бы быть самым экстремальным объектом во всей Вселенной.
Но это неправда. Квазар J0439 не в 600 триллионов раз ярче нашего Солнца и определенно не является самым ярким квазаром во Вселенной. Вместо этого J0439 показывает явные признаки гравитационного линзирования, которое может увеличивать его в 50 раз.
Вместо того, чтобы быть в 600 триллионов раз ярче нашего Солнца, он может быть только в 10-12 триллионов раз ярче, что на самом деле делает его одним из самых слабых квазаров, когда-либо обнаруженных на таком большом расстоянии.
Сигнатуры объектива совершенно однозначны и неизбежны. Несколько изображений были разрешены в данных Хаббла, поскольку наблюдения показали существование трех отдельных изображений для J0439. Существование галактики на переднем плане, компенсируемой лишь необходимой угловой разницей, также хорошо видно, что указывает на источник гравитационного линзирования.
Наилучшая интерпретация этих данных заключается в том, что квазар может излучать свет 13 миллиардов лет назад, но примерно на полпути между нами и этим квазаром пересекающаяся галактика сильно искривляет пространство. Когда мы реконструируем то, что должно присутствовать, чтобы объяснить эти наблюдения, мы приходим к выводу, что это не самый яркий квазар, обнаруженный на таких больших расстояниях; это первый квазар с гравитационной линзой в самых дальних уголках Вселенной.
Когда мы принимаем во внимание эффекты гравитационного линзирования, а также связанное с ним искривление пространства из-за теории относительности Эйнштейна, этот квазар становится гораздо более разумным.
- Вместо 600 трлн раз ярче, чем наше Солнце, он всего в ~12 трлн раз ярче, как и другие квазары.
- Вместо черной дыры, которая в 10 миллиардов раз массивнее нашего Солнца, что было неслыханно в столь ранние времена, она должна быть всего в 0,8 миллиарда раз больше массы нашего Солнца, что согласуется с другими большими сверхмассивными черными дырами в те времена. ранние стадии.
- И вместо того, чтобы скорость звездообразования в десятки тысяч раз превышала скорость нашей собственной галактики, мы реконструировали скорость, которая гораздо ближе соответствует другим молодым квазарам: от нескольких сотен до нескольких тысяч солнечных. масса новых звезд в год.
В будущем крупномасштабные глубокие исследования должны выявить больше квазаров на краях мощных гравитационных линз. Мы должны обнаружить гораздо больше таких квазаров с низкой светимостью на больших расстояниях, которые ниже порогов обнаружения наших нынешних обсерваторий без усиления линз. И, в частности, для J0439, мы полностью ожидаем, что последующие наблюдения с помощью ALMA покажут, насколько быстро движется материал вокруг черной дыры, питающей квазары, что даст нам представление о том, какова ее масса на самом деле.
Этот новый квазар очарователен, но не по тем причинам, о которых вы, возможно, слышали. Это не самый яркий объект вблизи нашей космической зари, но один из самых тусклых обнаруженных таких объектов. Только благодаря силе гравитационного линзирования, случайному выравниванию промежуточной галактики и уникальным правилам теории относительности Эйнштейна мы вообще смогли его найти.
Возможно, мы нашли квазар с наибольшей видимой яркостью в ранней Вселенной, что само по себе примечательно. Но наша цель - понять Вселенную такой, какая она есть, а не такой, какой она нам кажется. Если принять это во внимание, то этот квазар точно соответствует тому, что мы ожидаем. И это захватывающая история сама по себе, без дополнительной сенсации.