Квазари на червоних зміщеннях понад 6.5 — це світло, яке вирушило в подорож до нас, коли Всесвіту було менш як 800 мільйонів років. Це надмасивні чорні діри в центрах молодих галактик, які активно поглинають навколишній газ і завдяки цьому світяться яскравіше за всю галактику-господаря. Кожен такий об'єкт — свідок епохи, коли перші велетенські чорні діри тільки набирали масу, і питання, як вони встигли вирости настільки швидко, досі не має остаточної відповіді.
Група дослідників під керівництвом Сільвії Онорато зібрала й опублікувала спектроскопічні дані для 45 квазарів у діапазоні червоних зміщень від 6.50 до 7.64. Це найбільша на сьогодні вибірка квазарів такого віку, спостережених наземними спектрографами середньої роздільної здатності. Робота вийшла в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
Спектри у видимому та інфрачервоному діапазонах
Дослідники використали спектрограф X-shooter на телескопі VLT (Very Large Telescope) Європейської південної обсерваторії в Чилі. Цей ешеле-спектрограф дозволяє одночасно розкладати світло об'єкта на видимий та ближній інфрачервоний діапазони, що критично важливо для настільки далеких квазарів: через розширення Всесвіту їхнє видиме світло зміщується в інфрачервону область спектра.
Дані з X-shooter доповнили спостереженнями з оптичних довгощілинних інструментів. Усю інформацію обробили за єдиною методикою за допомогою PypeIt — відкритого програмного пакета на Python для редукції спектроскопічних даних. Однакова обробка всієї вибірки означає, що результати різних телескопів і приладів можна коректно порівнювати між собою, а не лише в межах окремих спостережних програм.
Абсолютна зоряна величина квазарів на довжині хвилі 1450 ангстрем — стандартний показник яскравості для таких об'єктів — лежить у межах від −28.82 до −24.13. Медіанне червоне зміщення вибірки становить 6.71, а медіанна абсолютна величина — приблизно −26.1. Це означає, що в наборі є як надзвичайно яскраві квазари, так і відносно тьмяні, що дає змогу дослідити залежність властивостей спектра від світності об'єкта.
Наскільки якісні отримані дані
Ключовий показник якості спектроскопічних спостережень — відношення сигналу до шуму (SNR). Для цієї вибірки медіанні значення SNR на піксель шириною 110 км/с становлять 9.7 у смузі J, 10.3 у смузі H та 11.7 у смузі K ближнього інфрачервоного діапазону.
Ці цифри означають достатньо якісні дані для детального аналізу окремих спектральних ліній, а не лише для грубого визначення червоного зміщення. Попри те, що спостереження проводилися різними інструментами з різними технічними характеристиками, уніфікована обробка дозволила отримати добре охарактеризований і послідовний масив даних.
Що дає композитний спектр
Окрім окремих спектрів 45 квазарів, автори побудували композитний спектр — усереднений спектр усієї вибірки. Такий узагальнений профіль слугує еталоном: за ним можна виявляти особливості окремих об'єктів, порівнюючи їх із середньостатистичним квазаром цієї епохи.
Порівняння з композитними спектрами квазарів з інших робіт, як на високих, так і на низьких червоних зміщеннях, показало відмінності в силі багатьох емісійних ліній. Автори пов'язують це передусім із різницею в світностях об'єктів у різних вибірках. Водночас нахил континууму спектра — загальний розподіл яскравості за довжинами хвиль — залишається сталим. Це свідчить про те, що базові фізичні механізми випромінювання квазарів не змінюються суттєво з часом, навіть коли йдеться про об'єкти, що світили менш ніж через мільярд років після Великого вибуху.
Опублікований набір даних відкриває шлях для подальших досліджень: вивчення зон близькості квазарів (ділянок навколо чорної діри, іонізованих її випромінюванням), профілів поглинання водню (damping wings), лісу ліній Ляйман-альфа, вмісту важких елементів у міжгалактичному середовищі, а також розподілу мас надмасивних чорних дір та їхніх темпів акреції відносно граничного (еддінгтонівського) значення.
