«Уэбб» обнаружил черную дыру, образовавшуюся раньше, чем ее галактика

С помощью космического телескопа Джеймса Уэбба астрономы обнаружили убедительные доказательства того, что некоторые сверхмассивные черные дыры могли быть огромными с самого начала, не имея своей гораздо более массивной галактики.

Об этом сообщают в Национальном управлении по аэронавтике и исследованию космоса (NASA), передают OstanniPodii.com.

Что появилось первым — галактика или черная дыра? Мы этого не знаем, но ученые уже давно предполагают, что это могла быть галактика: большие звезды в пределах галактики исчерпывают свое топливо и коллапсируют, образуя черные дыры, которые могут поглощать окружающую материю и со временем сливаться, образуя объекты с большей массой.

Но трудно понять, как черные дыры с массой в миллионы или миллиарды раз больше массы Солнца, тысячи которых сейчас обнаружены в ранней Вселенной, могли так быстро вырасти из таких маленьких зародышей.  

Теперь исследователи, используя телескоп Уэбба, обнаружили четкие доказательства того, что некоторые сверхмассивные черные дыры были огромными с самого начала, образовавшись без фазы коллапса звезд и без своей значительно более массивной галактики, которая бы их подпитывала.

«Это чрезвычайное открытие», — отметил Роберто Майолоно из Кембриджского университета в Великобритании, соавтор исследований, опубликованных в журналах Nature и Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. «Это смена парадигмы, полное переосмысление классических сценариев формирования и роста черных дыр».

Маленькая красная точка QSO1

Вывод команды основан на детальных наблюдениях за объектом Abell2744-QSO1 (QSO1), прототипной «маленькой красной точкой», которая существовала всего через 700 миллионов лет после Большого взрыва.

Хотя QSO1 имеет диаметр всего 1 300 световых лет, а ее свет путешествует уже более 13 миллиардов лет, ее легче исследовать, чем большинство других «маленьких красных точек», поскольку она подвергается гравитационному линзированию со стороны скопления галактик Abell 2744 (Скопление Пандоры). QSO1 одновременно увеличивается и образует тройное изображение, появляясь в трех разных местах на небе.

Первоначальные исследования QSO1 выявили убедительные доказательства того, что это может быть не более чем светящееся облако водорода и гелия, вращающееся вокруг сверхмассивной черной дыры, масса которой, по оценкам, в 40 миллионов раз превышает массу Солнца. Но, как и в случае с другими ранними черными дырами, открытыми «Уэббом», существовала неопределенность относительно того, действительно ли она была столь массивной.

«До сих пор все измерения массы черных дыр в ранней Вселенной были косвенными, основанными на предположениях, исходящих из того, что мы знаем о них в локальной Вселенной. Мы не знали, применимы ли эти предположения к далекой Вселенной», — сказал соавтор Франческо Д’Эудженио, также из Кембриджского университета.

Определение состава и скорости газа

Команда ученых пришла к выводу, что если черная дыра QSO1 настолько массивна, как кажется, то с помощью Блока интегрального поля (IFU) на приборе NIRSpec (Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона) телескопа Уэбба можно будет проследить влияние ее гравитации на вращающийся вокруг газ, а также определить распределение различных элементов в этом газе.

Аспирант Кембриджского университета Игнас Юоджабалис и Козимо Маркончини из Флорентийского университета, ведущие авторы одного из исследований, использовали наблюдения IFU для картографирования движений водорода, окружающего черную дыру. Когда они построили график скорости вращения в зависимости от расстояния от центра, они обнаружили, что газ имеет кеплеровское движение: он вращается вокруг центральной точки так же, как планеты нашей Солнечной системы вращаются вокруг Солнца.

«Это важно, поскольку свидетельствует о том, что большая часть массы QSO1 сосредоточена в черной дыре в центре», — сказал Юоджабалис. «Если бы масса была распределена более равномерно, как это было бы в случае большого количества звезд, газ не имел бы такого идеального кеплеровского вращения».

Поскольку кеплеровское движение подчиняется простым законам гравитации, команда смогла использовать измерения скорости газа для прямого расчета массы черной дыры — достижение, которое ранее было невозможно.

Исследователи обнаружили, что черная дыра не только огромна — примерно 50 миллионов солнечных масс — но и составляет, как минимум, поразительные две трети общей массы QSO1. Эта доля в тысячи раз больше, чем в соседних галактиках, где сверхмассивные черные дыры составляют лишь незначительную долю общей массы своих галактик.

Карты состава IFU подтвердили эти результаты, показав, что газ в QSO1 почти полностью состоит из водорода и гелия с очень небольшим количеством более тяжелых элементов, таких как кислород, которых можно было бы ожидать в галактике, богатой звездами и звездными остатками. С металличностью менее 0,5% от Солнца, QSO1 является одной из самых чистых галактических сред, которые когда-либо измерялись.

«Это феноменальный результат», — отметил Майолоно. «Это первое прямое измерение массы черной дыры в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва, и оно согласуется с предыдущими измерениями». Команда считает, что это хороший знак того, что допущения, использованные для косвенных измерений массы, верны, и массы других черных дыр в ранней Вселенной не были переоценены.  

Происхождение сверхмассивных черных дыр

Чрезвычайно большая масса QSO1 по сравнению с ее галактикой свидетельствует о том, что она не могла образоваться постепенно в результате слияния и поглощения гораздо меньших черных дыр звездной массы. «Похоже, мы нашли черную дыру, которая не имеет существенной галактики-хозяина и которая существовала до звездных процессов», — сказал Юоджабалис. «Это очень захватывающе, поскольку является доказательством существования первичных черных дыр или черных дыр, образовавшихся в результате прямого коллапса, которые были теоретически предсказаны, но не подтверждены».

Независимо от того, эволюционировала ли черная дыра QSO1 из «тяжелого зародыша», образовавшегося в течение первой секунды Большого взрыва, или несколько позже в результате коллапса гигантского газового облака, она почти наверняка родилась большой и, возможно, находится на ранних стадиях формирования галактики вокруг себя.

Команда считает, что «маленькие красные точки», такие как QSO1, не могли быть редкостью в ранней Вселенной, и сейчас анализирует подобные объекты, чтобы выяснить, действительно ли сверхмассивные черные дыры существовали раньше галактик, в которых они сейчас находятся.

Телескоп Уэбба

Космический телескоп Джеймса Уэбба — это ведущая в мире обсерватория для космических исследований. «Уэбб» разгадывает тайны нашей Солнечной системы, заглядывает за ее пределы в далекие миры вокруг других звезд и исследует загадочные структуры и происхождение Вселенной и нашего места в ней. «Уэбб» — это международная программа под руководством NASA совместно с ее партнерами, Европейским космическим агентством и Канадским космическим агентством.