За один год телескоп Euclid обнаружил больше древних квазаров, чем наука за десятилетие

За последнее десятилетие подтверждение одного-единственного квазара, питаемого чёрной дырой массой в миллиард солнечных, когда Вселенной было меньше миллиарда лет, требовало скоординированной работы нескольких телескопов и месяцев последующей спектроскопии. Совокупный результат всех этих усилий составлял примерно десять подтверждённых объектов. За первый год научной работы «Евклид» подтвердил двенадцать.

Эта цифра — центральный результат статьи докторанта Лейденского университета Дамин Яна и его коллег, опубликованной в журнале Astronomy & Astrophysics в составе специального выпуска из 41 статьи, основанного на данных первого квартала неба, полученных «Евклидом». Полный каталог содержит 31 ранее неизвестный квазар из самой ранней эпохи Вселенной — древние источники света, каждый из которых излучает с мощностью примерно триллиона солнц, питаемые сверхмассивными чёрными дырами, уже существовавшими, когда космос составлял лишь долю своего нынешнего возраста.

Два самых удалённых объекта в каталоге, обозначенные как EUCL J172902.75+641018.1 и EUCL J125308.55+705432.3, имеют красные смещения 7.77 и 7.69, что помещает их в число самых удалённых объектов, когда-либо разрешённых индивидуально в каком-либо обзоре. Их свет покинул объекты, когда Вселенной было примерно 670 миллионов лет.

Как «Евклид» распознаёт объекты, похожие на обычные звёзды

Обнаружение древних квазаров — задача поиска иголки в стоге сена. На экстремальных расстояниях ультрафиолетовое излучение квазара растягивается расширением Вселенной в ближний инфракрасный диапазон — сдвиг, который помещает его характерные спектральные линии на длины волн, которые большинство наземных инструментов с трудом улавливают эффективно. На практике слабый красноватый вид делает эти объекты почти неотличимыми от гораздо более близких и гораздо более многочисленных M-карликовых звёзд на стандартных снимках в видимом свете. Большинство обнаружений, сделанных до «Евклида», зависели от сопоставления объектов по нескольким обзорам разной глубины и фильтрового покрытия, а затем от приоритизации кандидатов для дорогостоящего наблюдательного времени на крупных телескопах.

«Евклид» решает обе проблемы одновременно. Его ближний инфракрасный спектрометр и фотометр (NISP) покрывает длины волн от 0.95 до 2.0 микрон — именно там, где находится смещённое в красную область излучение Lyman-альфа от квазаров с z≥7, одновременно собирая широкополосную фотометрию, позволяющую проводить первичный отбор кандидатов. Площадь обзора, рассчитанная в конечном итоге на покрытие трети неба на глубинах, недостижимых с Земли, создаёт статистический объём, достаточный для содержания полезных выборок редчайших объектов. «Их первозданный свет слаб и легко путается со светом звёзд, расположенных ближе к нам», — сказал Антонио Ла Марка, научный сотрудник ЕКА в команде «Евклида».

Команда Яна применила фотометрический алгоритм отбора к данным Q1, выявила кандидатов, соответствующих квазарам с z≥7, и подтвердила обнаружения с помощью спектроскопического режима NISP, не требуя отдельной наземной кампании. Эффективность по сравнению с предыдущими методами обзора — это разница между совокупным результатом за десятилетие и двенадцатью подтверждёнными объектами за год.

Что на самом деле означает порог красного смещения 7

Красное смещение количественно определяет, насколько расширилась Вселенная с момента испускания данного фотона. Красное смещение z=7 соответствует Вселенной, линейный размер которой составлял примерно одну восьмую от нынешнего, что переводится во время путешествия света около 13 миллиардов лет и космический возраст 670 миллионов лет после Большого взрыва. В тот момент Вселенная завершала реионизацию — переход, в ходе которого ультрафиолетовое излучение первых светящихся источников ионизировало водород, державший ранний космос непрозрачным.

Квазары с z≥7 были одними из главных двигателей реионизации, но они же являются её парадоксом: они требуют сверхмассивных чёрных дыр, которые успели вырасти до миллиардов солнечных масс в тот момент космической истории, когда, согласно стандартным моделям формирования структур, едва хватило времени на образование первых звёзд. Центральная чёрная дыра Млечного Пути, Стрелец A*, весит примерно четыре миллиона солнечных масс и накопила эту массу за весь 13.8-миллиардный возраст Вселенной. Чёрные дыры, питающие квазары с z≥7 в каталоге «Евклида», весят в сотни-тысячи раз больше, но накопили эту массу менее чем за 5% того же временного промежутка.

«Эти монстры — весом в миллиарды масс нашего Солнца — каким-то образом уже существовали, когда Вселенная была в младенчестве», — сказал Джозеф Хеннави, научный руководитель Яна в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре и соавтор статьи. Обнаружение более дюжины таких объектов за один год наблюдений доказывает, что они не являются статистическими аномалиями: выборка теперь достаточно велика, чтобы рассматривать их как популяцию.

Чего каталог не проясняет

Дополнительные подтверждённые обнаружения укрепляют количественную аргументацию, но пока не позволяют различить предложенные механизмы формирования. Основные кандидаты включают устойчивую сверхэддингтоновскую аккрецию, при которой газ падает на чёрную дыру-зародыш быстрее канонического предела радиационного давления в течение периодов, достаточных для наращивания наблюдаемых масс; прямой коллапс массивных первичных газовых облаков в чёрные дыры-зародыши, намного тяжелее любой звёздной остаточной массы; и быстрое слияние плотных ранних звёздных скоплений до того, как включилось первое поколение сверхмассивных чёрных дыр. Каждый механизм сталкивается с независимыми наблюдательными ограничениями, и данные «Евклида» пока не включают характеристики родительских галактик, необходимые для их прямой проверки.

В статье Яна отмечается, что каталог из 31 объекта представляет собой яркую часть более крупной скрытой популяции — тех, которые достаточно ярки и находятся в правильном сочетании красного смещения и положения на небе, чтобы чётко выделиться из данных Q1. Модели полноты потребуют полного широкого обзора «Евклида», который продолжается. Одно практическое ограничение относится ко всем 31 объекту: характеристика родительских галактик, необходимая для проверки моделей формирования, требует более глубоких наблюдений, чем те, что предоставляет сам обзор. Сильвия Белладитта из Института астрономии Макса Планка в Гейдельберге провела последующую спектроскопию второго по удалённости объекта в каталоге; запланированные наземные кампании охватят всю выборку.

Часто задаваемые вопросы о древних квазарах «Евклида»

Что именно такое квазар и почему его яркость важна?

Квазар — это чрезвычайно яркое ядро галактики, питаемое сверхмассивной чёрной дырой, активно аккрецирующей окружающий газ. Когда вещество нагревается в аккреционном диске, оно излучает во всём электромагнитном спектре с яркостью, способной затмить все звёзды родительской галактики вместе взятые. На расстояниях, о которых здесь идёт речь, обнаруживается только центральный двигатель; родительская галактика слишком тускла и компактна, чтобы её можно было разрешить. Именно экстремальная светимость позволяет «Евклиду» обнаруживать объекты с расстояния в 13 миллиардов световых лет.

Почему эти объекты описываются как проблема для космологии?

Стандартные модели роста чёрных дыр устанавливают естественный предел темпов аккреции, известный как предел Эддингтона. Зародыш звёздной массы — самая большая чёрная дыра, которую может оставить после себя звезда, — аккрецирующий непрерывно с такой скоростью, не может достичь миллиарда солнечных масс за время, доступное между Большим взрывом и эпохой, в которой существуют эти квазары. Обнаружение более дюжины таких объектов за один год обзора означает, что они достаточно распространены, и никакое единичное экзотическое событие не может их объяснить; механизм формирования должен работать в масштабе.

Как «Евклид» сравнивается с предыдущими обзорами для этого типа объектов?

Широкий обзор «Евклида» (Euclid Wide Survey) в конечном итоге покроет примерно 14 000 квадратных градусов с чувствительностью в ближнем инфракрасном диапазоне, недоступной наземным обзорам на сопоставимых площадях. Предыдущее поколение обзоров, включая Слоановский цифровой небесный обзор (Sloan Digital Sky Survey) и Обзор глубокого неба в инфракрасном диапазоне UKIRT (UKIRT Infrared Deep Sky Survey), выявило большую часть предыдущего каталога квазаров с z≥7 за более чем десятилетие совместных наблюдений. Инструмент NISP «Евклида» выполняет одновременно первичный отбор и спектроскопический скрининг, сжимая то, что раньше требовало отдельных кампаний, в один наблюдательный проход.

Что будет дальше в этой исследовательской программе?

Запланирована наземная последующая спектроскопия для всей выборки из 31 объекта, чтобы уточнить измерения красного смещения и охарактеризовать родительские галактики. Дополнительные выпуски данных «Евклида» расширят каталог по мере накопления площади широкого обзора. Выпуск данных Q2 от «Евклида», который охватил балдж Млечного Пути с 60 миллионами звёзд, запечатлённых за 26 часов наблюдений, был опубликован в конце июня; последующие выпуски добавят больше внегалактических площадей, имеющих отношение к поиску квазаров с высоким красным смещением. «Находя и изучая их, — написал Ян, — мы сможем лучше понять, как эти огромные системы сформировались и так быстро выросли».

Ссылка: Yang et al., «Euclid: Discovery of 31 high-redshift quasars including two of the most distant quasars known,» Astronomy & Astrophysics, 2026. DOI: 10.1051/0004-6361/202658883

Теги: астрономия, supermassive black holes, early universe, esa, euclid, quasars