Новое исследование, базирующееся на данных, полученным Очень большим телескопом (Very Large Telescope) Европейской южной обсерватории и Рентгеновской многозеркальной миссией Ньютон (X-ray Multi-Mirror Mission, XMM-Newton), совместным космическим телескопом ЕКА и NASA, оказалось сюрпризом для специалистов в области образования и эволюции черных дыр. Считалось, что большинство крупных черных дыр в центрах галактик за последние 11 миллиардов лет сформировались при слиянии галактик. Оказалось, что это не так.

В сердце большинства, а может быть, и каждой крупной галактики располагается сверхмассивная черная дыра, их массы достигают миллионов или даже миллиардов масс Солнца. Во многих галактиках, в том числе, в нашем Млечном пути, центральная черная дыра не активна. Но в некоторых галактиках, и это было особенно типично для начал истории Вселенной, эти дыры являются монстрами, поглощающими огромные количества материи и излучающие энергию, когда материя наконец достается им. Наиболее яркие галактики наблюдались (точнее, существовали, а наблюдаются сейчас) в начале существования Вселенной, через 3-4 миллиарда лет после Большого взрыва. Класс менее ярких галактик характерен для более позднего времени, в нем пик яркости относится примерно к 8 миллиардам лет после Большого взрыва.

Секретом пока является, откуда берется материя, активирующая спящую черную дыру и приводящая к мощным выбросам энергии в центре галактики и превращающая его в активное ядро. Сейчас большая часть астрономов считает, что обычно ядро активируется, когда две галактики сливаются или проходят близко. Это приводит к возмущениям в положениях материи к галактиках, и она попадает в зону притяжения черной дыры. Однако новое исследование показывает, что такая схема развития событий может быть неверной для многих галактик.

Международная команда под руководством Виолы Аллевато из института Макса Планка и участвующая в проекте COSMOS, изучила более 600 активных галактик. Исследование опирается на две крупные европейские программы. Первая – изучение Вселенной при помощи телескопа XMM-Newton в рамках программы COSMOS под руководством Гюнтера Хасингера, вторая – zCOSMOS, руководимая Симоном Лилли. Обе программы входят в крупный проект COSMOS, международную работу по детальному изучению части небесной сферы. Для исследования используются космический телескоп Хаббл, космические рентгеновские телескопы XMM-Newton и Чандра, инфракрасный телескоп Спитцер, Очень большой телескоп ESA и другие менее крупные наземные телескопы. Область небесной сферы, исследуемая в проекте COSMOS, в четыре раза превышает размеры Луны и находится в созвездии Весов. Эта область исследуется во множестве спектральных диапазонов, что позволяет получить большой объем разнообразной информации об объектах, находящихся в ней. Как и ожидалось, астрономы обнаружили, что очень яркие галактические ядра довольно редки, а большая часть ядер галактик в последние 11 миллиардов лет имеет среднюю яркость. Но сюрпризом стало то, что большая часть этих типичных галактик со средней яркостью явилась результатом отнюдь не слияния галактик. На самом деле, около года назад по данным телескопа Хаббл другой команде астрономов удалось сделать вывод, что связь между активными галактическими ядрами и слиянием галактик отнюдь не очевидна, по крайней мере, для близких галактик. В той работе расстояние до галактик ограничивалось 8 миллиардами лет, теперь оно расширено до 11, когда галактики были намного ближе друг к другу.

Активные галактические ядра засекают по рентгеновскому излучению, образующемуся около черной дыры. Оно не проходит незамеченным мимо телескопа XMM-Newton. Затем эти галактики изучаются при помощи Очень большого телескопа, который способен измерить расстояние до них. Объединяя измерения, ученые могут составить трехмерную карту расположения активных галактик. Для определения расстояния используется спектрограф, установленный на Очень большом телескопе. Он раскладывает свет на спектральные составляющие. Это позволяет определить красное смещение, то есть, насколько свет растянулся в результате расширения Вселенной с тех пор, как был излучен, а значит, и расстояние до источника излучения – галактики. Поскольку скорость света конечна, можно также определить, насколько давний свет мы регистрируем. То есть, когда был излучен тот свет, которые мы засекаем сейчас.

На составление карты ушло более 5 лет, но работа стоила того. Теперь астрономы могут использовать ее, чтобы определить, как были распределены активные галактики и сравнить эти данные с предсказаниями теорий. Кроме того, можно определить динамику вселенной во времени, на интервале от 11 миллиардов лет до настоящего момента.

Оказалось, что активные ядра наблюдаются в основном в больших галактиках, содержащих большое количество темной материи – загадочной субстанции, невидимо присутствующей во многих (видимо, во всех) галактиках, включая Млечный путь. Авторам исследования также удалось определить долю темной материи в каждой галактике по распределению галактик на карте. Теория предсказывала, что большинство активных ядер галактик образовалось в результате их слияния. Поэтому ожидалось, что активные ядра будут типичны для галактик со средней массой (около триллионов масс Солнца). Но большая часть активных ядер наблюдается в галактиках с массой, превышающей предсказанную примерно в 20 раз.

«Это дает нам новую информацию о том, как сверхмассивные черные дыры начинали свое пиршество, – говорит Аллевато. – Оказалось, что черные дыры в основном кормятся за счет процессов, протекающих внутри галактики, а не за счет их столкновения и смешения».

По словам Алексиса Финогенова, рецензента публикации в Астрофизическом журнале, посвященной открытию, «даже очень давно, около 11 миллиардов лет назад, столкновения галактик приводили лишь к небольшому числу активных галактик средней яркости. Тогда галактики были довольно близки друг к другу, и их столкновения были делом обычным, так что новые результат особенно неожиданны».