Вселенная меняет настройки: почему физика «молодых» черных дыр отличалась от современной

Активные ядра галактик — самые яркие стационарные источники излучения во Вселенной. Долгое время считалось, что физика их свечения подчиняется универсальным законам, неизменным на протяжении космической истории. Новое исследование, объединившее данные оптических и рентгеновских обзоров, опровергает это мнение: механизмы генерации излучения в ранней Вселенной отличались от современных.

Группа астрофизиков под руководством Марии Чиры (Национальная обсерватория Афин) опубликовала в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society результаты анализа 136 745 квазаров. Работа ставит под сомнение текущие теоретические модели аккреции материи на сверхмассивные черные дыры.

Физика процесса: диск и корона

Квазары излучают энергию в широком диапазоне длин волн, но ключевыми компонентами считаются две структуры:

1. Аккреционный диск: газ, падающий на черную дыру, закручивается и разогревается трением до огромных температур. Этот диск излучает преимущественно в ультрафиолетовом диапазоне.
2. Рентгеновская корона: область горячей плазмы, расположенная над и под диском. Ультрафиолетовые фотоны из диска попадают в корону, сталкиваются с быстрыми электронами и в процессе обратного комптоновского рассеяния приобретают энергию, превращаясь в рентгеновское излучение.

Между яркостью диска и яркостью короны существует корреляция. Как правило, более яркие в ультрафиолете квазары демонстрируют относительно меньшую долю рентгеновского излучения. Понимание этой зависимости критически важно, так как она позволяет проверять теории гравитации и использовать квазары для измерения космологических расстояний.

Методология: учет «молчащих» источников

Главная проблема предыдущих исследований заключалась в наблюдательной селекции. Телескопы хорошо видят яркие объекты, но часто пропускают тусклые. Если игнорировать объекты, которые не видны в рентгеновском диапазоне, статистика искажается.

Авторы нового исследования объединили каталог квазаров SDSS DR16 (оптический диапазон) с данными рентгеновского телескопа eROSITA обсерватории «Спектр-РГ», а также архивными данными XMM-Newton.

Ключевое отличие работы — использование иерархического байесовского метода. Этот статистический подход позволил учесть не только прямые детектирования (когда объект виден), но и верхние пределы для объектов, сигнал от которых оказался ниже порога чувствительности приборов. Это позволило восстановить истинное распределение светимостей без искажений, свойственных более ранним работам.

Эволюция параметров с красным смещением

Анализ выборки в диапазоне красных смещений периодом от 2 до 8,5 млрд лет после Большого взрыва привел к двум фундаментальным выводам.

Во-первых, подтверждена нелинейная связь между ультрафиолетом и рентгеном: при увеличении светимости диска рентгеновская светимость растет медленнее. Однако нормализация этой зависимости оказалась ниже, чем предполагалось ранее.

Во-вторых, и это главное открытие, соотношение меняется в зависимости от возраста Вселенной. На больших красных смещениях (в более раннюю эпоху):

• Зависимость становится более пологой.
• Собственный разброс данных уменьшается.

Это говорит о том, что физические условия в окрестностях сверхмассивных черных дыр эволюционируют. В ранней Вселенной доля излучения диска, которое перерабатывается в рентген через рассеяние в короне, была иной. Возможно, это связано с изменением геометрии короны или эффективности передачи энергии между диском и короной.

Противоречие с теорией аккреции

Результаты исследования выявили серьезное расхождение с предсказаниями современных теоретических моделей.

Согласно популярным моделям аккреционных потоков (например, QSOSED), спектральные свойства квазара должны зависеть от коэффициента Эддингтона — отношения светимости объекта к предельной светимости, при которой давление излучения начинает отталкивать падающее вещество. Ожидалось, что изменение темпа аккреции будет существенно влиять на баланс между ультрафиолетом и рентгеном.

Однако наблюдательные данные не показали значимой зависимости от коэффициента Эддингтона. Это создает расхождение между теорией и наблюдениями. Модели, связывающие геометрию короны напрямую со скоростью падения вещества, нуждаются в пересмотре.

Значение для космологии

Обнаруженная эволюция соотношения ультрафиолета к рентгену имеет практические последствия для космологии. Астрофизики пытаются использовать квазары как «стандартные свечи» для измерения параметров расширения Вселенной на огромных расстояниях, где сверхновые звезды уже не видны.

Исследование показывает, что использовать квазары в этом качестве можно только с осторожностью. Если соотношение их светимостей меняется с красным смещением, то без соответствующих поправок измерения расстояний будут ошибочными.

Источник: Monthly Notices of the Royal Astronomical Society