Международная команда астрономов опубликовала крупнейший на сегодняшний день набор данных о сверхмассивных чёрных дырах, который значительно расширяет возможности изучения их массы, роста и эволюции на протяжении всей истории Вселенной. Новый выпуск данных Sloan Digital Sky Survey (SDSS) включает миллионы спектров и позволяет исследовать активные ядра галактик и квазары с беспрецедентной точностью.
Речь идёт о выпуске данных DR20, подготовленном в рамках пятого поколения обзора неба SDSS-V. Одним из его ключевых проектов стала программа Black Hole Mapper, предназначенная для изучения сверхмассивных чёрных дыр, активно поглощающих вещество. Именно такие объекты лежат в основе активных ядер галактик и квазаров — самых ярких постоянных источников излучения во Вселенной.
Впервые в состав обзора вошли оптические спектры, полученные телескопом BOSS в Южном полушарии на обсерватории Лас-Кампанас в Чили. Они дополнили наблюдения, выполненные в обсерватории Апачи-Пойнт в американском штате Нью-Мексико. В общей сложности DR20 включает более 3,3 миллиона оптических спектров, охватывающих около 500 тысяч галактик и 1,5 миллиона звёзд, что делает этот выпуск одним из самых масштабных в истории проекта.
Одним из главных достижений стала программа SPIDERS, которая объединила оптические спектры SDSS с рентгеновскими картами неба, полученными космической обсерваторией eROSITA. Благодаря этому астрономы смогли определить природу и расстояния примерно до 200 тысяч рентгеновских источников, создав крупнейший и наиболее однородный спектроскопический каталог подобных объектов.
Хотя среди этих источников присутствуют скопления галактик и двойные звёздные системы, большинство из них оказалось активными сверхмассивными чёрными дырами. Рентгеновское излучение позволяет заглянуть практически в самый центр таких объектов и исследовать горячую корону вещества, окружающую чёрную дыру.
Используя новый массив наблюдений, исследователи построили наиболее точную на сегодняшний день функцию рентгеновской светимости сверхмассивных чёрных дыр. Она показывает, сколько подобных объектов существовало в различные эпохи истории Вселенной и насколько активно они росли.
Полученные результаты свидетельствуют, что в ранней Вселенной чрезвычайно яркие квазары встречались значительно чаще, чем предполагали предыдущие модели. Это означает, что гигантские чёрные дыры росли очень быстро уже в первые миллиарды лет после Большого взрыва.
Новый обзор также выявил большое количество ранее скрытых сверхмассивных чёрных дыр. Обычные обзоры в видимом и ультрафиолетовом диапазонах не способны обнаружить значительную часть таких объектов, особенно если они обладают сравнительно невысокой светимостью или находятся на очень больших расстояниях.
Дополнительный анализ показал, что сверхмассивные чёрные дыры, обнаруживаемые по мягкому рентгеновскому излучению, составляют лишь небольшую часть общей массы подобных объектов в современной Вселенной. По оценкам авторов исследования, от 70 до 90% всего роста сверхмассивных чёрных дыр происходило за плотными облаками газа и пыли либо в состояниях, когда даже рентгеновское излучение было сильно ослаблено.
Учёные также использовали особенности переменности квазаров для изучения внутренних областей вокруг чёрных дыр. Поскольку сами чёрные дыры слишком малы и удалены для прямого наблюдения, исследователи анализировали изменения их яркости на протяжении длительного времени.
В рамках программы Reverberation Mapping астрономы многократно получали спектры одних и тех же квазаров в течение нескольких дней, месяцев и лет. Измеряя задержку между изменениями излучения аккреционного диска и окружающей области, испускающей широкие спектральные линии, исследователи смогли напрямую определить массы сверхмассивных чёрных дыр для объектов на различных расстояниях.
Параллельно программа All-Quasar Multi-Epoch Spectroscopy регулярно наблюдала десятки тысяч квазаров, отслеживая изменения потоков вещества, признаки выбросов газа, возможные двойные системы сверхмассивных чёрных дыр и редкие «меняющие облик» квазары, которые способны резко изменять свои свойства.
По словам участников проекта, некоторые полученные спектры оказались настолько необычными, что автоматические алгоритмы обработки не смогли корректно их классифицировать. В результате специалистам пришлось вручную анализировать наиболее необычные объекты, и эти результаты также вошли в опубликованный выпуск данных.
Ещё одним важным достижением SDSS-V стала модернизация наблюдательной инфраструктуры. На 2,5-метровом телескопе Sloan Foundation в обсерватории Апачи-Пойнт и 2,5-метровом телескопе имени Ирэнэ дю Пона в обсерватории Лас-Кампанас были установлены роботизированные системы позиционирования оптических волокон, которые автоматически наводят спектрографы на сотни объектов одновременно. Это значительно увеличило скорость наблюдений и позволило оперативно реагировать на появление новых интересных астрономических событий.
По традиции проекта Sloan Digital Sky Survey все материалы DR20 опубликованы в открытом доступе. Исследователи, преподаватели и все желающие могут бесплатно получить доступ к спектрам, каталогам, сопутствующим данным eROSITA и готовым инструментам анализа через специализированные интернет-сервисы проекта.
Авторы работы отмечают, что объединение оптических наблюдений SDSS и рентгеновских данных eROSITA открывает принципиально новые возможности для изучения эволюции сверхмассивных чёрных дыр и позволяет значительно точнее проследить историю их роста на протяжении почти всей истории существования Вселенной.