670 миллионов лет после Большого взрыва. Вселенная — мутный бульон из нейтрального водорода, только-только начинающий нагреваться первыми звёздами. И где-то в этой непроглядной тьме уже горят два ослепительных маяка — квазары, чей свет шёл к нам больше 13 миллиардов лет. Телескоп Euclid только что вписал их в книгу рекордов как древнейшие из когда-либо наблюдавшихся.

Но эти двое — лишь вершина айсберга. Всего в данных Euclid астрономы насчитали 31 квазар из ранней Вселенной, и дюжина из них вспыхнула в первые 770 миллионов лет космической истории. Раньше мы видели только самых ярких представителей этого племени — тех, что било в глаза даже сквозь бездну времени. Euclid же, с его широким полем зрения, впервые позволяет рыскать по огромным участкам неба в поисках куда более тусклых, а значит, и более типичных объектов. И находки обещают перетряхнуть наши представления о том, как вообще успели вырасти первые сверхмассивные чёрные дыры.

Что такое квазар и почему он светит ярче галактики

Квазар — не просто чёрная дыра. Это целая катастрофа в центре молодой галактики, поставленная на поток. Вещество со всей округи затягивается в гравитационную воронку, закручивается в раскалённый диск и, прежде чем исчезнуть за горизонтом событий, разгоняется до скоростей, близких к световым. Трение и магнитные поля превращают падающий газ в пекло, которое плюётся излучением во всём диапазоне — от радио до гамма. Один такой объект способен затмить свет сотен миллиардов звёзд собственной галактики. Для нас это маяк, видимый через всю Вселенную.

Два новых рекордсмена носят сухие каталожные имена: EUCL J172902.75+641018.1 и EUCL J125308.55+705432.3. Их свет покинул окрестности чёрных дыр, когда космосу было всего 670 миллионов лет — около 5% нынешнего возраста. Чтобы осознать масштаб: если сжать историю Вселенной до календарного года, эти квазары зажглись в середине января. А мы видим их сейчас, в декабре, и то лишь потому, что телескоп Euclid оказался достаточно зорким.

Красное смещение как машина времени

Как вообще узнают возраст таких объектов? Ключ — красное смещение. Вселенная расширяется, и пока свет летит к нам, само пространство растягивается, сдвигая длину волны к красному концу спектра. Чем дальше источник, тем сильнее сдвиг. Измерив его, астрономы вычисляют расстояние и, следовательно, момент, когда был испущен свет. Для двух рекордсменов Euclid этот момент отстоит от Большого взрыва менее чем на 700 миллионов лет — числа, которые ещё недавно казались запретными для столь массивных структур.

Здесь и кроется главная загадка. Сверхмассивная чёрная дыра в центре квазара — это монстр массой в миллионы или даже миллиарды солнц. По стандартным моделям, ей требуются сотни миллионов лет, чтобы нарастить такую тушу, последовательно поглощая вещество. Но 670 миллионов лет — это вся доступная на тот момент история космоса. Получается, первые чёрные дыры росли с невероятной, почти невообразимой скоростью, либо стартовали с уже крупных «зародышей» — возможно, из коллапса гигантских газовых облаков или из гипотетических первичных чёрных дыр, возникших прямо в огне Большого взрыва. Новые данные Euclid, охватывающие более широкую популяцию квазаров, помогут понять, какой из сценариев ближе к истине.

Эпоха реионизации: как Вселенная стала прозрачной

Но квазары Euclid рассказывают не только о чёрных дырах. Они — свидетели переломного момента в истории мироздания, так называемой эпохи реионизации. После Большого взрыва космос остыл и наполнился нейтральным водородом — газом, непрозрачным для ультрафиолетового излучения. Только когда зажглись первые звёзды и квазары, их жёсткое излучение начало «обдирать» электроны с атомов, делая газ прозрачным. Этот процесс шёл постепенно, и детали его до сих пор туманны.

Квазары — идеальные зонды этой эпохи. Их спектр несёт отпечаток того, через какой газ прошёл свет. Если на пути встречались облака нейтрального водорода, в спектре появляются характерные провалы — так называемый лес Лайман-альфа. Анализируя эти провалы у 31 квазара Euclid, астрономы надеются построить трёхмерную карту реионизации: где и когда возникали первые пузыри ионизованного газа вокруг галактик, как они сливались и какую роль во всём этом играли именно квазары, а не звёзды.

Раньше подобные исследования опирались на единичные объекты — самые яркие квазары, которые легче заметить. Но яркость может означать и необычность: возможно, это были исключительные экземпляры, живущие в аномально плотных областях. Euclid впервые даёт массовую выборку, включая тусклые, заурядные квазары, которые, скорее всего, отражают типичную картину. И это уже позволило удвоить число известных квазаров из первых 770 миллионов лет.

Почему Euclid, а не James Webb?

Может возникнуть вопрос: разве James Webb с его инфракрасным зрением не лучше приспособлен для охоты за древнейшими объектами? Webb действительно способен разглядеть отдельные галактики на рекордных расстояниях, но у него узкое поле зрения — как смотреть на небо через соломинку. Euclid, напротив, сканирует огромные площади, и делает это в оптическом и ближнем инфракрасном диапазоне. Его задача — не сверхглубокое бурение в одну точку, а широкая съёмка, позволяющая поймать сразу много целей. Именно такой подход и нужен для поиска квазаров: они редки, разбросаны по небу, и чтобы набрать статистику, надо осмотреть изрядный кусок небесной сферы.

Кстати, похожую стратегию использовал и «Хаббл», когда с помощью гравитационной линзы разглядел десять галактик из младенчества Вселенной. Линза усилила свет, позволив заглянуть в эпоху, когда космосу было около 700 миллионов лет. Тогда астрономы спорили, кто именно сделал Вселенную прозрачной — гиганты-одиночки или целая армия мелких галактик. Новые квазары Euclid добавляют в этот спор весомый аргумент: мощное излучение чёрных дыр вполне могло быть одним из главных «ионизаторов».

Что дальше?

31 квазар — это только начало. Euclid продолжит обзор, и число известных древнейших объектов будет расти. Параллельно астрономы наведут на новичков другие инструменты — тот же James Webb, спектрографы наземных телескопов, — чтобы детально изучить их спектры. Это позволит не только уточнить расстояния, но и оценить массы чёрных дыр, темпы аккреции, химический состав окружающего газа. Возможно, среди них найдутся квазары, свет которых прошёл сквозь почти нетронутую эпоху реионизации — такие объекты станут окнами в самые тёмные века Вселенной.

Пока же два рекордсмена — EUCL J172902.75+641018.1 и EUCL J125308.55+705432.3 — висят в каталогах как молчаливые вопросы. Как чёрная дыра сумела набрать миллиарды солнечных масс за жалкие сотни миллионов лет? Что за галактики их окружали? И не их ли безжалостный свет первым прорезал космический туман, сделав Вселенную такой, какой мы её знаем — прозрачной и полной звёзд? Ответы, как всегда, придут с новыми данными. Euclid только разогревается.