“Вебб” виявив чорну діру, яка утворилася раніше, ніж її галактика

Використовуючи космічний телескоп Джеймса Вебба, астрономи виявили чіткі докази того, що деякі надмасивні чорні діри могли бути величезними від самого початку, не маючи своєї значно масивнішої галактики.

Про це повідомляють в Національному управлінні з аеронавтики та дослідження космосу (NASA), передають OstanniPodii.com.

Що з’явилося першим — галактика чи чорна діра? Ми цього не знаємо, але вчені вже давно припускають, що це могла бути галактика: великі зорі в межах галактики вичерпують своє паливо та колапсують, утворюючи чорні діри, які можуть поглинати навколишню речовину та з часом зливатися, утворюючи об’єкти з більшою масою.

Але важко зрозуміти, як чорні діри з масою у мільйони чи мільярди разів більше маси Сонця, тисячі яких зараз виявлено у ранньому Всесвіті, могли так швидко вирости з таких маленьких зародків.  

Тепер дослідники, використовуючи телескоп Вебба, виявили чіткі докази того, що деякі надмасивні чорні діри були величезними від самого початку, утворившись без фази колапсу зірок і без своєї значно масивнішої галактики, яка б їх підживлювала.

«Це надзвичайне відкриття», — відмітив Роберто Майолоно з Кембридзького університету у Великій Британії, співавтор досліджень, опублікованих у журналах Nature та Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. «Це зміна парадигми, повне переосмислення класичних сценаріїв формування та зростання чорних дір».

Маленька червона крапка QSO1

Висновок команди ґрунтується на детальних спостереженнях за об’єктом Abell2744-QSO1 (QSO1), прототиповою «маленькою червоною крапкою», яка існувала лише через 700 мільйонів років після Великого вибуху.

Хоча QSO1 має діаметр лише 1 300 світлових років, а її світло подорожує вже понад 13 мільярдів років, її легше досліджувати, ніж більшість інших «маленьких червоних крапок», оскільки вона піддається гравітаційному лінзуванню з боку скупчення галактик Abell 2744 (Скупчення Пандори). QSO1 одночасно збільшується та утворює потрійне зображення, з’являючись у трьох різних місцях на небі.

Початкові дослідження QSO1 виявили переконливі докази того, що це може бути не більше ніж світна хмара водню та гелію, що обертається навколо надмасивної чорної діри, маса якої, за оцінками, у 40 мільйонів разів перевищує масу Сонця. Але, як і в разі інших ранніх чорних дір, відкритих «Веббом», існувала невизначеність щодо того, чи справді вона була такою масивною.

«Дотепер усі вимірювання маси чорних дір у ранньому Всесвіті були непрямими, ґрунтуючись на припущеннях з того, що ми знаємо про них у локальному Всесвіті. Ми не знали, чи ці припущення дійсно застосовні до далекого Всесвіту», — сказав співавтор Франческо Д’Еудженіо, також з Кембриджського університету.

Визначення складу та швидкості газу

Команда вчених дійшла висновку, що якщо чорна діра QSO1 є такою масивною, як здається, то за допомогою Блоку інтегрального поля (IFU) на приладі NIRSpec (Спектрограф близького інфрачервоного діапазону) телескопа «Вебб» можна буде простежити вплив її гравітації на газ, що кружляє навколо, а також визначити розподіл різних елементів у цьому газі.

Новини за подібною темою:

		Астрономи виявили першу з очікуваних в скупченні «Омега Центавра» чорну діру зоряної маси
		Гігантська планета пережила смерть своєї зорі, і навіть має атмосферу
		Після тривалих пошуків виявлено вітер центральної чорної діри Чумацького Шляху

Аспірант Кембридзького університету Ігнас Юоджабаліс та Козімо Маркончіні з Флорентійського університету, головні автори одного з досліджень, використали спостереження IFU для картографування рухів водню, що оточує чорну діру. Коли вони побудували графік швидкості обертання як функцію відстані від центру, вони виявили, що газ має кеплерівський рух: він обертається навколо центральної точки так само як планети нашої Сонячної системи обертаються навколо Сонця.

«Це важливо, оскільки це свідчить про те, що більша частина маси QSO1 зосереджена в чорній дірі в центрі», — сказав Юоджабаліс. «Якби маса була розподілена більш рівномірно, як це було б у випадку великої кількості зірок, газ не мав би такого ідеального кеплерівського обертання».

Оскільки кеплерівський рух підпорядковується простим законам гравітації, команда змогла використати вимірювання швидкості газу для прямого розрахунку маси чорної діри — досягнення, яке раніше було неможливим.

Дослідники виявили, що чорна діра не тільки величезна — приблизно 50 мільйонів сонячних мас — але й становить, як мінімум, дивовижні дві третини загальної маси QSO1. Ця частка у тисячі разів більша, ніж у сусідніх галактиках, де надмасивні чорні діри становлять лише незначну частку загальної маси своїх галактик.

Карти складу IFU підтвердили ці результати, показавши, що газ у QSO1 майже повністю складається з водню та гелію з дуже невеликою кількістю важчих елементів, таких як кисень, яких можна було б очікувати в галактиці, багатій на зорі та зоряні залишки. З металічністю менш як 0,5% від Сонця, QSO1 є одним з найчистіших галактичних середовищ, які коли-небудь вимірювалися.

«Це феноменальний результат», — зазначив Майолоно. «Це перше пряме вимірювання маси чорної діри протягом першого мільярда років після Великого вибуху, і воно узгоджується з попередніми вимірами». Команда вважає, що це хороший знак того, що припущення, використані для непрямих вимірювань маси, є правильними, і маси інших чорних дір у ранньому Всесвіті не були переоцінені.  

Походження надмасивних чорних дір

Надзвичайно велика маса QSO1 порівняно з її галактикою свідчить про те, що вона не могла утворитися поступово в результаті злиття та поглинання набагато менших чорних дір зоряної маси. «Схоже, ми знайшли чорну діру, яка не має істотної галактики-господаря та яка існувала до зоряних процесів», — сказав Юоджабаліс. «Це дуже захопливо, оскільки є доказом існування первинних чорних дір або чорних дір, що утворилися в результаті прямого колапсу, які були теоретично передбачені, але не підтверджені».

Незалежно від того, чи чорна діра QSO1 еволюціонувала з «важкого зародка», що утворився протягом першої секунди Великого вибуху, чи дещо пізніше в результаті колапсу гігантської газової хмари, вона майже напевно народилася великою і, можливо, перебуває на ранніх стадіях формування галактики навколо себе.

Команда вважає, що «маленькі червоні крапки», такі як QSO1, не могли бути рідкістю у ранньому Всесвіті, і зараз аналізує подібні об’єкти, щоб з’ясувати, чи справді надмасивні чорні діри існували раніше за галактики, в яких вони зараз перебувають.

Телескоп Вебба

Космічний телескоп Джеймса Вебба — це провідна обсерваторія у світі для космічних досліджень. “Вебб” розгадує таємниці нашої Сонячної системи, заглядає за її межі у далекі світи навколо інших зірок та досліджує загадкові структури й походження Всесвіту та нашого місця в ньому. “Вебб” — це міжнародна програма під керівництвом NASA разом із її партнерами, Європейським космічним агентством і Канадським космічним агентством.
 

• телескоп Вебба
• Чорні діри