Крупнейшие черные дыры Вселенной подтвердили существование темной энергии

Карта распределения сверхмассивных черных дыр по Вселенной помогла астрономам доказать, что темная энергия существует и что она заставляет пространство расширяться все быстрее, говорится в статье, опубликованной в журнале MNRAS. "Сейчас мы понимаем, как работает гравитация, но некоторые вопросы устройства Вселенной, такие как суть темной энергии, остаются тайной для нас. Мы давно желаем понять, чем она является, и проекты, подобные eBOSS, помогают нам постепенно пополнять наш багаж знаний о природе Вселенной", — заявил Уильям Персиваль (William Percival) из Портсмутского университета (Великобритания). Проект BOSS проводится в рамках "большого" Слоановского цифрового обзора неба (SDSS) c середины 2008 года. С его помощью ученые пытаются найти так называемые барионные акустические осцилляции (БАО) — "отголоски" рождения Вселенной в виде акустических волн, из-за движения которых возникли неоднородности в распределении материи, породившие современные галактики и группы галактик.

Для этого астрономы изучают спектр квазаров, самых древних, ярких и больших черных дыр в центрах далеких галактик, наблюдая за тем, как их свет взаимодействовал с облаками газа в пустотах между нитями "паутины Вселенной" на пути к Земле. Сравнивая различия в том, как поменялся свет в ходе этих путешествий из относительно далеких и близких галактик, ученые отслеживают, с какой скоростью расширялась Вселенная, и проверяют, происходил ли этот процесс одинаково в разных ее уголках.

Первые результаты BOSS были опубликованы четыре года назад. Проследив за 60 тысячами черных дыр, самые далекие из которых находились на расстоянии в 11,5 миллиарда световых лет от Земли, ученые не нашли расхождений между современными теоретическими представлениями о свойствах темной энергии и тем, что они наблюдали в спектрах этих квазаров.

С другой стороны, подобные расхождения были недавно найдены в результатах наблюдений за относительно близкими к нам сверхновыми и "парами" далеких квазаров. Оказалось, что сегодня Вселенная расширяется неожиданно быстро — гораздо быстрее, чем говорят теория и расчеты на основе наблюдений за микроволновым "эхо" Большого взрыва при помощи телескопа "Планк".

Космические разночтения

Это заставило многих физиков сомневаться в существовании темной энергии и расширении Вселенной с ускорением. Недавно сторонники и противники "инфляционной теории" вступили в открытый спор на страницах научных журналов и научно-популярных изданий.

К примеру, противники расширения Вселенной назвали эту идею антинаучной, а ее сторонники обвиняют оппонентов в методологических просчетах. Сразу 33 ведущих космолога мира, в их числе россиянин Андрей Линде, опубликовали на прошлой неделе письмо, отвечающее на критику скептиков.

Персиваль и его коллеги, в том числе астрофизики из Института ядерных исследований РАН в Москве, подлили масла в огонь, опубликовав новые данные обзора BOSS, в который теперь входит свыше 176 тысяч галактик и их черных дыр, удаленных на расстояние в 13 миллионов световых лет от Земли. Фактически им удалось построить трехмерную карту галактик и материи между ними в кубе размерами 12 х 12 х 12 миллиардов световых лет.

Новые данные обзора, как рассказывают астрофизики, в целом соответствуют классической модели устройства Вселенной, включающей в себя темную материю и темную энергию. Скорость расширения Вселенной в ней, с другой стороны, ближе к значениям "Планка", чем к данным по сверхновым, что делает разночтения еще более непонятными и интересными.

Дальнейшее увеличение числа квазаров и открытие более далеких объектов, как надеются участники, поможет проверить результаты "Планка" и понять, какая из двух скоростей расширения Вселенной является правильной и насколько в этом процессе участвует темная энергия.

Открытие трех необычных квазаров бросает вызов теории эволюции черных дыр

Квазары представляют собой светящиеся объекты, в центрах которых расположены черные дыры, наблюдаемые через гигантские космические расстояния. Падающая на черную дыру материя увеличивает массу черной дыры и вызывает свечение квазара. В новой работе астрономы во главе с Кристиной Эйлерс (Christina Eilers) из Института астрономии Общества Макса Планка (Max Planck Institute for Astronomy, MPIA) при помощи обсерватории им. Кека, расположенной на Гавайях, открыли экстремально молодые квазары с необычным свойством: эти квазары смогли набрать массу, оцениваемую примерно в один миллиард масс Солнца, менее чем за 100000 лет. Согласно существующим моделям квазарам потребовалось бы примерно в 1000 раз больше времени, чтобы набрать такую массу, поэтому эти находки представляют большую загадку для ученых.

Эти загадочные квазары наблюдались астрономами в том состоянии, в котором они пребывали примерно 13 миллиардов лет назад, то есть примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва. Согласно существующим моделям эволюции черных дыр на формирование черных дыр такого размера, как эти квазары, требуется примерно 100 миллионов лет, однако ученые определили, что активность обнаруженных квазаров продолжается в течение не более чем 100 тысяч лет.

Чтобы определить, как долго длится активность этих квазаров, астрономы проанализировали влияние этих квазаров на их галактические окрестности – в частности, они изучили нагретые, в основном прозрачные «ближние зоны» (proximity zones) вокруг каждого квазара. «Моделируя ионизацию и нагрев газа светом, идущим от квазаров, мы можем прогнозировать, какого размера будет ближняя зона у каждого квазара, - объясняет Фредерик Дэйвис (Frederick Davies), научный сотрудник MPIA и эксперт по взаимодействию между светом, идущим от квазара, и газом межгалактического пространства. После того как квазар «включился», эти зоны растут очень быстро. – Всего лишь через 100000 лет квазары должны иметь широкие (зеленый график на фото) ближние зоны ».

К удивлению Дэйвиса, три этих квазара имеют очень небольшие (желтый график на фото) ближние зоны – что указывает на то, что они находятся в фазе активного квазара в течение не более чем 100000 лет.

На следующем этапе своего исследования Эйлерс и ее команда собираются попытаться обнаружить новые квазары с такими же аномалиями развития, как и у этих трех квазаров. Такое обнаружение могло бы свидетельствовать о том, что значительная часть известных ученым квазаров на самом деле намного моложе, чем считалось, указывают авторы.

Астрономы выяснили, когда черные дыры закутываются в "шубу"

Процесс слияния галактик заставляет сверхмассивные черные дыры в их центрах "скрываться" от всего остального мира, окружая себя плотным коконом из пыли, который не проникают даже их мощные выбросы света и частиц высокой энергии, говорится в статье, опубликованной в журнале MNRAS. "Чем ближе слияние к завершению, тем толще будет эта шуба. Сверхмассивные черные дыры растут со сверхвысокой скоростью во время подобных слияний. Те данные, которые мы собрали в ходе этих наблюдений, помогут нам приблизиться к раскрытию загадки того, как влияют друг на друга галактики и черные дыры", — рассказывает Клаудио Риччи (Claudio Ricci) из Католического университета Чили в Сантьяго. Считается, что в центре большинства крупных галактик существует, по крайней мере, одна сверхмассивная черная дыра. Причины образования этих объектов пока не совсем ясны. Наблюдения за искривлением пространства вокруг них позволяют говорить о том, что типичная масса сверхмассивных черных дыр находится в диапазоне от миллиона до нескольких миллиардов масс Солнца.

Астрономы изучают подобные объекты уже несколько десятилетий, наблюдая за ними в радиоволновом и рентгеновском диапазонах. Наблюдения за подобными "тяжеловесами" затруднены тем, что они нередко скрываются от нашего взора под толстой "шубой" из пыли и газа, окружающей ядра галактик.

Как рассказывает Риччи, то, как эта "шуба" исчезает и появляется, сегодня является предметом ожесточенных споров среди астрономов. По его словам, сегодня многие ученые считают, что пыль и газ из подобного "кокона" является основным источником пищи для черных дыр, помогающим им расти очень быстро, однако пока никому не удавалось доказать, что это так, и понять, откуда берется эта пыль.

Пылевая "шуба"

Проблема заключается в том, что пыль, звезды и другие объекты могут находиться на орбите черной дыры очень продолжительное время, не падая в нее, что должно ограничивать ее аппетиты и скорость роста. Тем не менее, многие черные дыры в центрах галактик, судя по яркости их выбросов, растут с очень высокой скоростью, каким то образом поглощая эту пыль. Возникает вопрос – что может толкать эту пыль в сторону черной дыры?

Риччи и его коллеги сделали первый шаг к раскрытию этой тайны, проследив за несколькими десятками сливающихся галактик при помощи орбитального телескопа NuSTAR и нескольких других рентгеновских обсерваторий НАСА и ЕКА.

Эти наблюдения раскрыли интересную закономерность – чем ближе были галактики к полному слиянию, тем больше пыли присутствовало в окрестностях черной дыры. Во многих случаях пыли и газа было так много, что выбросы черных дыр оказывались полностью закрытыми для нас, и были видны только в жесткой части рентгеновского спектра, в которой пыль является "прозрачной".

Как полагают ученые, формирование подобных пылевых коконов вокруг сливающихся черных дыр было связано с тем, что их гравитационные взаимодействия "тормозят" пыль и заставляют ее "падать" в сторону центра будущей единой галактики. В это время, как считают Риччи и его коллеги, черные дыры могут набирать большую часть своей массы.

Что интересно, открытие подобных пылевых "коконов" противоречит популярной на сегодняшний день теории о том, что сливающиеся черные дыры окружает толстый "бублик" из газа и пыли, периодически закрывающий их от нашего взора. Если результаты наблюдений Риччи и его коллег подтвердятся, то тогда астрофизикам придется пересмотреть общепринятые теории эволюции галактик и переоценить роль сверхмассивных черных дыр в их жизни.