Блазар PSO J0309+27: маяк из эпохи реионизации и его космическое окружение

Введение

В марте 2020 года группа под руководством Сильвии Белладитты (Университет Инсубрии, INAF, Милан) объявила об открытии объекта, который на момент публикации стал и остаётся самым далёким известным блазаром — PSO J030947.49+271757.31, сокращённо PSO J0309+27. Его красное смещение z = 6,10 ± 0,03 означает, что свет, который сегодня регистрируют телескопы, покинул источник, когда Вселенной было менее миллиарда лет.

Значение этого открытия выходит далеко за рамки очередного рекорда дальности. Блазар — это активное ядро галактики, релятивистская струя которого направлена почти точно на наблюдателя. Из-за релятивистского усиления мы видим один такой объект вместо примерно 2Γ² источников, ориентированных иначе. Поэтому обнаружение единственного блазара на z ≈ 6 статистически подразумевает существование сотен подобных систем с джетами в ту же эпоху. Как выразился один из соавторов, «где есть один — там ещё сотня».

Основные параметры объекта

Космологические величины рассчитаны для параметров Planck 2018 (H₀ = 67,7 км/с/Мпк, Ωₘ = 0,31).

История открытия и подтверждения

Объект был выделен методом кросс-корреляции оптического обзора Pan-STARRS PS1 с радиокаталогами NVSS и TGSS. Кандидат обладал двумя ключевыми признаками: плоским радиоспектром в диапазоне 0,15–1,4 ГГц и красным цветом, характерным для источников за пределами z ≈ 6 из-за поглощения в лесе Лайман-альфа.

Подтверждение природы объекта потребовало трёх независимых линий наблюдений:

Оптика и ИК. Спектроскопия на Большом бинокулярном телескопе (LBT) зафиксировала красное смещение. Позднейшие наблюдения инструментом LUCI по широкой линии C IV λ1549 дали оценку массы центральной чёрной дыры.

Рентген. Наблюдения обсерватории Swift-XRT выявили аномально высокую и жёсткую рентгеновскую светимость. Именно этот признак отличает блазар от обычного радиогромкого квазара: рентгеновское излучение усилено обратным комптоновским рассеянием в джете, направленном на наблюдателя.

Радиоинтерферометрия. Наблюдения на VLBA (Спингола и др., 2020) с миллисекундным угловым разрешением на частотах 1,5; 5 и 8,4 ГГц разрешили односторонний джет протяжённостью около 500 парсеков в проекции, распадающийся на несколько компактных субкомпонентов, погружённых в диффузное излучение. Яркостная температура субкомпонентов составила порядка 10⁸ К.

Джет: от парсеков до килопарсеков

Наиболее впечатляющий результат получен обсерваторией Chandra (Игина и др., 2022). В диапазоне 0,5–7,0 кэВ зарегистрировано 320 фотонов от ядра, но, что важнее, впервые пространственно разрешён килопарсековый рентгеновский джет на z = 6,1 — самый далёкий из известных.

Его характеристики:

• светимость в диапазоне 2–10 кэВ: L = 5,9 ⁺⁶·⁸₋₃·₂ · 10⁴⁴ эрг/с;
• одно из наибольших отношений «джет к ядру» — около 8 %;
• протяжённая компонента независимо обнаружена в радиообзоре VLASS, что позволило построить спектральное распределение энергии.

Физический смысл этого наблюдения связан с механизмом IC/CMB — обратным комптоновским рассеянием фотонов реликтового излучения на релятивистских электронах джета. Плотность энергии реликта растёт как (1+z)⁴, то есть на z = 6,1 она примерно в 2 500 раз выше современной. Следствие: протяжённые джеты в ранней Вселенной должны быть яркими в рентгене и одновременно тусклыми в радио — синхротронное излучение «гасится» комптоновскими потерями. PSO J0309+27 служит ключевой проверочной точкой для этого предсказания.

Любопытная деталь: для килопарсекового участка требуется сравнительно низкий лоренц-фактор (Γ ≲ 5–10), тогда как исследования внутренних областей джета дают более высокие значения. Противоречия здесь нет — струя, по-видимому, тормозится по мере удаления от центральной машины, что наблюдается и в близких радиогалактиках.

В какие структуры входит объект: разграничение понятий

Здесь необходимо провести чёткое различие между проекционной принадлежностью и физической принадлежностью.

Созвездие Овен — это не структура

PSO J0309+27 значится в списке объектов созвездия Овен, но созвездие — не физическое образование, а участок небесной сферы. Звёзды Овна (Хамаль, Шератан) удалены на десятки-сотни световых лет и принадлежат Млечному Пути. Блазар находится в 12,9 млрд световых лет за ними — на линии зрения, но не в какой-либо связи. Указание созвездия имеет исключительно навигационное значение.

По той же причине объект не входит в Млечный Путь, Местную группу, скопление Девы или Ланиакею — все эти структуры относятся к нашей окрестности в поздней Вселенной.

Реальная иерархия принадлежности

1. Галактика-хозяин. Блазар — это ядро массивной галактики с чёрной дырой 1,45·10⁹ M☉. Согласно соотношению M–σ, такой центральной массе соответствует балдж порядка 10¹¹–10¹² M☉. Прямое изображение хозяина не получено: релятивистски усиленное ядро на несколько порядков ярче звёздного населения. Это фундаментальная особенность блазаров — направленность джета на наблюдателя, дающая возможность обнаружить объект, одновременно скрывает его галактику.

2. Гало тёмной материи. Квазары на z ≈ 6 населяют массивные гало порядка 10¹²–10¹³ M☉ — редчайшие пики плотности первичного поля флуктуаций.

3. Протоскопление или область избыточной плотности. Стандартная модель предсказывает, что подобные объекты формируются в узлах космической паутины, которые к настоящему времени эволюционировали бы в богатые скопления галактик. Однако — и это принципиальная оговорка — для PSO J0309+27 конкретное протоскопление наблюдательно не подтверждено. Поиски избыточной плотности галактик вокруг квазаров эпохи реионизации дают неоднозначные результаты: часть источников окружена спутниками, часть выглядит изолированной. Для данного блазара специализированного исследования окружения на момент написания не опубликовано.

4. Космическая паутина. Самый крупный уровень — филаментарная структура распределения материи. Здесь принадлежность следует из общей космологии, а не из прямых наблюдений данного объекта.

Проблема, которую ставит этот объект

Расчёт роста чёрной дыры по формуле Солпитера показывает остроту ситуации. При наблюдаемом эддингтоновском отношении λ = 0,44 и стандартной эффективности аккреции ε = 0,1 время удвоения массы составляет около 100 млн лет. Тогда для достижения 1,45·10⁹ M☉ требуется:

Ни один сценарий не проходит комфортно. Выходы предлагаются следующие: сверхэддингтоновская аккреция в отдельные эпохи, массивные семена прямого коллапса (10⁴–10⁶ M☉), низкая эффективность излучения при аккреции через толстый диск, либо ускоренный рост за счёт слияний в плотном окружении.

Присутствие мощного джета добавляет к этому дополнительный аргумент: согласно ряду моделей, интенсивный отток вдоль оси вращения может способствовать быстрому набору массы, отводя угловой момент и снижая радиационное давление в экваториальной плоскости. Радиогромкие объекты на больших z могут оказаться не исключением, а свидетельством того, что джет — часть механизма быстрого роста первых сверхмассивных чёрных дыр.

Заключение

PSO J0309+27 занимает особое место в наблюдательной космологии по трём причинам. Во-первых, он статистически указывает на существование многочисленной популяции галактик с релятивистскими джетами уже в первый миллиард лет после Большого взрыва. Во-вторых, его килопарсековый рентгеновский джет служит уникальной лабораторией для проверки эволюции механизма IC/CMB с красным смещением. В-третьих, масса его центральной чёрной дыры обостряет нерешённую проблему происхождения ранних сверхмассивных объектов.

Что касается принадлежности к структурам: объект достоверно входит в собственную галактику-хозяина и, по теоретическим основаниям, в массивное гало тёмной материи и узел космической паутины. Утверждения о конкретном протоскоплении остаются экстраполяцией модели, а не наблюдательным фактом — эту границу между установленным и предполагаемым важно сохранять.

Источники: Belladitta et al. 2020, A&A 635, L7 (открытие); Spingola et al. 2020, A&A 643, L12 (VLBA, парсековая структура); Ighina et al. 2022, A&A 659, A93 (Chandra, килопарсековый джет); Belladitta et al. 2022, A&A 660, A74 (LBT/LUCI, масса чёрной дыры); NRAO, NSF, Wikipedia (сводные данные).

*****