Пролито світло на походження надмасивних чорних дір

Астрономи виявили у ранньому Всесвіті чорну діру, що швидко зростає, яка вважається критично важливою "відсутньою ланкою" між молодими зореутворювальними галактиками та першими надмасивними чорними дірами.

Для цього відкриття вони використовували дані космічного телескопа Хаббл, розповідають в НАСА.

По цей час чудовисько, яке отримало прізвисько GNz7q, приховувалося непоміченим в одній з найбільш вивчених ділянок нічного неба — у полі Глибоке дослідження витоків Великих обсерваторій-Північ (GOODS-North).

Об’єкт, який позначається як GNz7q, є червоною крапкою в центрі зображення поля GOODS-North, отриманого Хабблом. Credits: NASA, ESA, Garth Illingworth (UC Santa Cruz), Pascal Oesch (UC Santa Cruz, Yale), Rychard Bouwens (LEI), I. Labbe (LEI), Cosmic Dawn Center/Niels Bohr Institute/University of Copenhagen, Denmark

Архівні дані від Удосконаленої камери для спостережень на Хабблі допомогли команді визначити, що GNz7q існувала лише через 750 мільйонів років після Великого вибуху. Команда отримала докази того, що GNz7q є новоутвореною чорною дірою. Хаббл виявив компактне джерело ультрафіолетового (УФ) та інфрачервоного світла. Воно не могло бути викликано випромінюванням галактик, але узгоджується з випромінюванням, очікуваним від матеріалів, що падають на чорну діру.

Чорні діри, що швидко зростають, в запилених, ранніх зореутворювальних галактиках передбачені теоріями та комп’ютерними симуляціями, але досі не спостерігалися.

«Наш аналіз показує, що GNz7q є першим прикладом чорної діри, що швидко зростає, в пиловому ядрі галактики зі спалахом зореутворення в епоху, близьку до найранішої надмасивної чорної діри, відомої у Всесвіті», — пояснив Сейдзі Фудзімото, астроном Інституту Нільса Бора Копенгагенського університету та провідний автор статті в журналі Nature, що описує це відкриття. «Властивості об’єкта по всьому електромагнітному спектру чудово узгоджуються з прогнозами теоретичних симуляцій».

Однією з видатних загадок сучасної астрономії є: як надмасивні чорні діри, вага яких у мільйони або мільярди разів перевищує масу Сонця, так швидко стали такими величезними?

Сучасні теорії передбачають, що надмасивні чорні діри починають своє життя в заповнених пилом ядрах галактик з активним зореутворенням до видалення навколишнього газу й пилу та виникають як квазари з надзвичайною світністю. Хоча й зустрічаються надзвичайно рідко, у ранньому Всесвіті були виявлені як пилові галактики зі спалахом зореутворення, так і світні квазари.

Команда вважає, що GNz7q може бути відсутньою ланкою між цими двома класами об’єктів. GNz7q має як аспекти пилової галактики зі спалахом зореутворення, так і квазара, в якому світло має червонуватий колір пилу.

Крім того, у GNz7q відсутні різні особливості, які зазвичай спостерігаються у типових, дуже яскравих квазарів (що відповідають випромінюванню з акреційного диска надмасивної чорної діри), що, швидше за все, пояснюється тим, що центральна чорна діра в GNz7q все ще знаходиться в молодій та менш масивній фазі. Ці властивості ідеально збігаються з молодим квазаром перехідної фази, який був передбачений в симуляціях, але ніколи не був ідентифікований у Всесвіті з таким же великим червоним зміщенням, як дуже світні квазари, які досі були ідентифіковані до червоного зміщення 7,6.

«GNz7q забезпечує прямий зв’язок між цими двома рідкісними популяціями та відкриває новий шлях до розуміння швидкого зростання надмасивних чорних дір на початку існування Всесвіту», – продовжує Фудзімото. «Наше відкриття являє собою приклад попередників надмасивних чорних дір, які ми спостерігаємо у пізніші епохи».

Хоча неможливо повністю виключити інші інтерпретації даних, отриманих командою, спостережувані властивості GNz7q повністю узгоджуються з теоретичними прогнозами. Галактика-господар GNz7q формує зорі зі швидкістю 1600 сонячних мас на рік, а сама GNz7q виглядає яскравою на УФ довжинах хвиль, але дуже тьмяною в рентгенівському діапазоні.

Як правило, акреційний диск масивної чорної діри повинен бути дуже яскравим як в ультрафіолетовому, так і в рентгенівському світлі. Але цього разу, хоча команда виявила ультрафіолетове світло за допомогою Хаббла, рентгенівське світло було невидимим навіть з одним із найглибших наборів рентгенівських даних. Ці результати дозволяють припустити, що ядро акреційного диска, звідки походять рентгенівські промені, все ще затемнене; тоді як зовнішня частина акреційного диска, звідки виходить ультрафіолетове світло, стає незатемненим. Інтерпретація полягає в тому, що GNz7q – це чорна діра, що швидко зростає, яка все ще затьмарена пиловим ядром своєї зореутворювальної галактики-господаря.

«GNz7q – це унікальне відкриття, яке було знайдено просто в центрі відомого, добре вивченого небесного поля – воно показує, що великі відкриття часто можуть бути приховані прямо перед вами», – прокоментував Габріель Браммер, інший астроном з Інституту Нільса Бора Копенгагенського університету та член команди, яка стоїть за цим результатом. «Малоймовірно, що виявлення GNz7q у відносно невеликій зоні дослідження GOODS-North було просто "дурною вдачею", скоріш за все, розповсюдженість таких джерел може бути значно вищим, ніж вважалося раніше».

Знаходження GNz7q, що приховувалася на видноті, стало можливим лише завдяки унікально детальним багатохвильовим наборам даних, доступним для GOODS-North. Без такого багатства даних GNz7q було б легко не помітити, оскільки вона не має відмінних рис, які зазвичай використовуються для ідентифікації квазарів у ранньому Всесвіті. Тепер команда сподівається систематично шукати подібні об’єкти, використовуючи спеціальні огляди з високою роздільною здатністю, і використовувати переваги спектроскопічних інструментів космічного телескопа Джеймса Вебба для детального дослідження таких об’єктів, як GNz7q.

«Повністю схарактеризувати ці об’єкти, дослідити їх еволюцію та основи фізики стане можливим за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба», – підсумував Фудзімото. «Після початку регулярної роботи Вебб матиме можливість визначити, наскільки поширеними насправді є ці чорні діри, що швидко зростають».

! Читайте ще цікаві новини про космос на сайті, або слідкуйте за ними на Facebook.