Вселената променя настройките си: защо физиката на „младите“ черни дупки се различава от тази на съвременните черни дупки

Активните ядра на галактиките са най-ярките стационарни източници на излъчване във Вселената. Дълго време се смяташе, че физиката на тяхната яркост се подчинява на универсални закони, неизменни през цялата космическа история. Ново изследване, съчетаващо данни от оптични и рентгенови изследвания, опровергава това мнение: механизмите на генериране на лъчението в ранната Вселена са се различавали от съвременните.

Екип от астрофизици, ръководен от Мария Чира (Национална обсерватория в Атина), публикува в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society резултатите от анализа на 136 745 квазара. Работата поставя под въпрос настоящите теоретични модели на акреция на материя върху свръхмасивни черни дупки.

Физиката на процеса: дискът и короната

Квазарите излъчват енергия в широк диапазон от дължини на вълните, но за ключови компоненти се смятат две структури:

1. Акреционният диск: газът, падащ върху черната дупка, се завихря и се нагрява от триенето до огромни температури. Този диск излъчва енергия главно в ултравиолетовия диапазон.
2. Рентгеновата корона: област от гореща плазма над и под диска. Ултравиолетовите фотони от диска навлизат в короната, сблъскват се с бързи електрони и придобиват енергия в процеса на обратното разсейване на Комптън, превръщайки се в рентгенови лъчи.

Съществува зависимост между яркостта на диска и яркостта на короната. Като правило квазарите, които са по-ярки в ултравиолетовата област, показват относително по-малка част от рентгеновото излъчване. Разбирането на тази корелация е от решаващо значение, тъй като тя ни позволява да проверяваме теориите за гравитацията и да използваме квазарите за измерване на космологичните разстояния.

Методологията: отчитане на „мълчаливите“ източници

Основен проблем в предишните изследвания е селекцията на наблюденията. Телескопите виждат добре ярките обекти, но често пропускат слабите обекти. Ако се пренебрегнат обектите, които не се виждат в рентгеновите лъчи, статистиката се изкривява.

Авторите на новото изследване комбинират каталога на квазарите SDSS DR16 (оптичен диапазон) с данните от рентгеновия телескоп eROSITA на обсерваторията Spectrum-RG, както и с архивни данни от XMM-Newton.

Ключова разлика в тази научна работа е използването на йерархичен Байесов метод. Този статистически подход дава възможност да се вземат предвид не само преките открития (когато обектът е видим), но и горните граници за обектите, чийто сигнал е под прага на чувствителност на инструментите. Това позволява да се реконструира истинското разпределение на светимостта без изкривяванията, присъщи на по-ранните работи.

Еволюция на параметрите в зависимост от червеното отместване

Анализите на извадката в диапазона на червеното отместване от 2 до 8,5 милиарда години след Големия взрив доведоха до два основни извода.

Първо, потвърдена е нелинейната връзка между ултравиолетовите и рентгеновите лъчи: рентгеновата светимост расте по-бавно с увеличаването на дисковата светимост. Въпреки това нормализацията на тази зависимост е по-ниска, отколкото се смяташе досега.

Второ, и това е основният извод, зависимостта се променя като функция на възрастта на Вселената. При по-големите червени отмествания (в по-ранните епохи):

• Зависимостта става по-слаба.
• Вътрешното разсейване на данните намалява.

Това подсказва, че физическите условия в околностите на свръхмасивните черни дупки еволюират. В ранната Вселена частта от излъчването на диска, която се рециклира в рентгенови лъчи чрез разсейване в короната, е била различна. Това може да се дължи на промени в геометрията на короната или в ефективността на преноса на енергия между диска и короната.

Противоречието с теорията за акрецията

Резултатите от изследването разкриха сериозно несъответствие с прогнозите на настоящите теоретични модели.

Според популярните модели на акреционния поток (например QSOSED) спектралните свойства на квазара би трябвало да зависят от коефициента на Едингтън – отношението на светимостта на обекта към граничната светимост, при която радиационното налягане започва да отблъсква падащата материя. Очакваше се промяната в скоростта на акреция да има значителен ефект върху баланса между ултравиолетовите и рентгеновите лъчи.

Данните от наблюденията обаче не показват значителна зависимост от коефициента на Едингтън. Това създава несъответствие между теорията и наблюденията. Необходимо е да се преразгледат моделите, които свързват короналната геометрия пряко със скоростта на падане на веществото.

Значението за космологията

Откритата еволюция на съотношението между ултравиолетовите и рентгеновите лъчи има практическо значение за космологията. Астрофизиците се опитват да използват квазарите като „стандартни свещи“ за измерване на разширяването на Вселената на огромни разстояния, където звездите от свръхновите вече не се виждат.

Изследването показва, че използването на квазарите в това им качество може да става само с повишено внимание. Ако съотношението на светимостта им се променя с червеното отместване, измерванията на разстоянията ще бъдат погрешни без съответните корекции.

Да напомним, че според предишно изследване квазарите могат да помогнат за откриването на двойките свръхмасивни черни дупки.