SDSS: до 90% роста сверхмассивных чёрных дыр скрыто пылью

Sloan Digital Sky Survey (SDSS) объявил о выпуске Data Release 20 (DR20) программы Black Hole Mapper (BHM) - части пятого поколения обзора SDSS-V. Релиз впервые включает оптические спектры BOSS, снятые в южном полушарии на телескопе du Pont обсерватории Лас-Кампанас в Чили, вместе с расширенными данными обсерватории Апач-Пойнт в Нью-Мексико. Всего DR20 публикует более 3,3 млн оптических спектров, охватывающих 500 тысяч галактик и 1,5 млн звёзд.

Ключевая часть релиза - программа SPIDERS, которая сопоставляет оптические спектры SDSS с рентгеновской картой неба от миссии eROSITA. Она даёт оптические отождествления и точные расстояния (красные смещения) примерно для 200 тысяч рентгеновских источников - это крупнейшее и наиболее однородное подобное сопоставление рентгеновских источников из когда-либо собранных. Подавляющее большинство этих источников - активно аккрецирующие сверхмассивные чёрные дыры, известные как активные ядра галактик или квазары.

Измерив функцию рентгеновской светимости - по сути перепись чёрных дыр по мощности излучения в разные космические эпохи - учёные проследили рост сверхмассивных чёрных дыр вплоть до красных смещений около шести, то есть до периода "космического рассвета" ранней Вселенной. Обзор обнаружил больше гигантских чёрных дыр на ранних этапах и более высокую плотность самых ярких квазаров при больших красных смещениях, чем ожидалось. Также найдено больше "скрытых" чёрных дыр, которые пропускают традиционные оптические и ультрафиолетовые обзоры, особенно среди источников низкой светимости на предельных расстояниях. Рассчитав суммарный накопленный рост чёрных дыр во времени, исследователи установили, что чёрные дыры, отобранные по мягкому рентгеновскому излучению, составляют лишь меньшинство суммарной массы чёрных дыр в локальной Вселенной. Из этого следует, что 70-90% всего роста сверхмассивных чёрных дыр происходило за плотными завесами пыли и газа или в фазах, когда подавлено даже рентгеновское излучение.

"Этот релиз - кульминация более чем десятилетнего совместного планирования и научного обмена между немецким консорциумом eROSITA и Sloan Digital Sky Survey", - сказал Андреа Мерлони, главный исследователь эксперимента eROSITA и научный сотрудник программы Black Hole Mapper. По его словам, DR20 показывает, что объединение рентгеновских и оптических спектроскопических данных открывает новые направления в астрофизике, а крупные международные и разнородные коллаборации способны годами эффективно работать над общей целью.

Поскольку сами сверхмассивные чёрные дыры слишком далеки и компактны для прямой съёмки, BHM использует переменность блеска квазаров как инструмент измерения через несколько программ временного мониторинга. Программа Reverberation Mapping (RM) снимает повторные спектры отдельных полей с квазарами на интервалах от дней до лет и измеряет задержку между светом от центрального аккреционного диска и окружающей его областью широких линий - это даёт прямые геометрические оценки массы чёрных дыр на разных красных смещениях. Программа AQMES (All-Quasar Multi-Epoch Spectroscopy) отслеживает десятки тысяч квазаров на повторных эпохах наблюдений, фиксируя динамические изменения, выбросы аккрецирующего газа, кандидатов в двойные сверхмассивные чёрные дыры и квазары, резко меняющие тип свечения.

Все данные BHM из DR20 открыты для исследователей, преподавателей и всех желающих. Доступ обеспечивают архив научных данных (Science Archive Server) и архив каталогов (Catalog Archive Server): через них можно получить спектры, табличные данные и каталоги рентгеновских источников eROSITA с помощью сервиса SciServer Compute и SQL-запросов. Дополнительно доступны веб-интерфейсы SDSS Zora и Valis для интерактивного поиска целей, проверки спектральных масок и сравнения наблюдаемых спектров с теоретическими моделями - в браузере или программно на Python. К релизу приложены готовые тематические каталоги, включая каталоги подгонки моделей активных ядер галактик и результаты визуального осмотра спектров, а также пошаговые туториалы в формате Jupyter Notebook (интерактивных блокнотов). Все материалы собраны на sdss.org/dr20.

Ключевые факты

• SDSS выпустил DR20 программы Black Hole Mapper: более 3,3 млн оптических спектров (500 тыс. галактик, 1,5 млн звёзд), включая первые данные из южного полушария - обсерватория Лас-Кампанас в Чили.
• Программа SPIDERS сопоставила спектры SDSS с рентгеновской картой eROSITA и определила расстояния примерно для 200 тыс. рентгеновских источников - крупнейшее подобное сопоставление.
• Расчёты показали: 70-90% всего накопленного роста сверхмассивных чёрных дыр во Вселенной происходило скрытно - за плотной пылью и газом или в фазах, когда подавлено рентгеновское излучение.
• Обзор нашёл больше гигантских чёрных дыр на ранних этапах Вселенной и более высокую плотность ярчайших квазаров при больших красных смещениях, чем ожидалось.
• Все данные DR20 открыты бесплатно - доступны через архивы SDSS, сервис SciServer, веб-интерфейсы Zora и Valis и Jupyter-туториалы на sdss.org/dr20.

Почему это важно

Обзор впервые системно сочетает оптическую спектроскопию с рентгеновской картой всего неба, что позволяет находить чёрные дыры, не заметные в оптическом и ультрафиолетовом диапазонах. Вывод о том, что 70-90% роста сверхмассивных чёрных дыр скрыто за пылью и газом, меняет представление о том, как формировались и росли центры галактик в ранней Вселенной.

Кому это важно

Прежде всего профессиональным астрофизикам и космологам, изучающим квазары, активные ядра галактик и рост чёрных дыр. Данные также открыты для преподавателей, студентов и энтузиастов - каталог и инструменты доступны без ограничений любому желающему.

Как это применить

Данные DR20 доступны через Science Archive Server и Catalog Archive Server, включая спектры, табличные данные и каталоги рентгеновских источников eROSITA. Доступ возможен через SciServer Compute и SQL-запросы, а также через веб-интерфейсы SDSS Zora и Valis для интерактивного поиска и сравнения спектров с моделями. К релизу приложены готовые тематические каталоги и пошаговые туториалы на Jupyter Notebook - все материалы собраны на sdss.org/dr20.

Можно ли доверять

Да. Это официальный релиз консорциума Sloan Digital Sky Survey (SDSS-V) совместно с немецким консорциумом eROSITA - результат более чем десятилетнего сотрудничества. Данные и выводы подкреплены опубликованными и находящимися на рецензии статьями, в частности в Astronomy & Astrophysics, а комментарии в материале принадлежат именованным учёным с указанием должностей и институтов.

Риски и подводные камни

Оценка в 70-90% скрытого роста чёрных дыр - статистический расчёт по совокупности данных, а не прямое наблюдение каждой отдельной чёрной дыры: часть таких объектов остаётся не обнаруженной ни в оптике, ни в рентгене. Материал - анонс релиза научных данных, а не готовый научный вывод: детальный анализ и интерпретация публикуются отдельными статьями, часть из которых на момент релиза ещё не прошла рецензирование.

«Этот релиз - кульминация более чем десятилетнего совместного планирования и научного обмена между немецким консорциумом eROSITA и Sloan Digital Sky Survey.»

— Андреа Мерлони, главный исследователь эксперимента eROSITA и научный сотрудник программы Black Hole Mapper