В ранней Вселенной найдена черная дыра, поглощающая материю гораздо быстрее, чем теоретически возможно

Наблюдения с помощью космических обсерваторий JWST и "Чандра" обнаружили сверхмассивную черную дыру низкой массы, которая, похоже, поглощает материю со скоростью, в 40 раз превышающей теоретический предел.

Об этом рассказывают в Национальной исследовательской лаборатории оптико-инфракрасной астрономии (NOIRLab) Национального научного фонда США, передают OstanniPodii.com.

Используя данные от космического телескопа "Джеймс Уэбб" (JWST) и рентгеновской обсерватории "Чандра", команда астрономов NOIRLab обнаружила сверхмассивную черную дыру в центре галактики всего через 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва, которая поглощает материю с феноменальной скоростью -- более чем в 40 раз больше теоретического предела. Хотя этот "пир" черной дыры был недолгим, он может помочь астрономам объяснить, как сверхмассивные черные дыры так быстро росли в ранней Вселенной.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Astronomy.

Сверхмассивные черные дыры существуют в центрах большинства галактик, и современные телескопы продолжают их наблюдать в удивительно ранних этапах эволюции Вселенной. Трудно понять, как эти черные дыры смогли так быстро вырасти настолько большими. Но с открытием сверхмассивной черной дыры низкой массы ("всего" 7,2 миллиона солнечных масс), которая поглощала материал с необычайной скоростью, что произошло всего через 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва, астрономы получили новые ценные знания о механизмах быстрого роста черных дыр в ранней Вселенной.

LID-568 была открыта межинституциональной группой астрономов с помощью космического телескопа "Джеймс Уэбб" (JWST) путем наблюдений за выборкой галактик из архива COSMOS рентгеновской обсерватории "Чандра". Эта популяция галактик очень яркая в рентгеновской части спектра, но невидимая в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах. Но уникальная инфракрасная чувствительность JWST позволяет обнаруживать эти слабые излучения.

LID-568 выделялась в выборке своим интенсивным рентгеновским излучением, но ее точное положение нельзя было определить только с помощью рентгеновских наблюдений, что вызвало беспокойство относительно правильного центрирования цели в поле зрения JWST. Поэтому, вместо использования традиционной щелевой спектроскопии, ученые из инструментальной поддержки JWST предложили команде использовать спектрограф интегрального поля на JWST, прибор "Спектрограф ближнего инфракрасного диапазона" (NIRSpec). Этот инструмент может получить спектр для каждого пикселя в поле зрения, а не ограничиваться узким срезом.

"Из-за своей естественной тусклости, обнаружение LID-568 было бы невозможным без JWST. Использование спектрографа интегрального поля было инновационным и необходимым для получения нашего наблюдения", - говорит Эмануэле Фарина, астроном Международной обсерватории Джемини/NOIRLab и соавтор исследования.

NIRSpec "Уэбба" позволил команде получить полное представление о своей цели и окружающем регионе, что привело к неожиданному открытию мощных оттоков газа у центральной черной дыры. Скорость и размер этих оттоков позволили команде сделать вывод, что значительная часть роста массы LID-568 могла произойти за один эпизод быстрой аккреции. "Этот неожиданный результат добавил новое измерение к нашему пониманию системы и открыл захватывающие пути для исследований", - говорит Хьевон Сух, астроном Международной обсерватории Джемини/NOIRLab и руководитель исследования.

В потрясающем открытии Сух и ее команда обнаружили, что LID-568, похоже, питается веществом со скоростью, которая в 40 раз превышает предел Эддингтона. Этот предел связан с максимальной светимостью, которой может достичь черная дыра, а также с тем, как быстро она может поглощать материю, чтобы ее внутренняя гравитационная сила и внешнее давление, образующееся от тепла сжатой падающей материи, оставались в равновесии. Когда светимость LID-568 оказалась намного выше теоретически возможной, команда поняла, что в их данных есть что-то необычное.

"У этой черной дыры пир", - говорит астроном и соавтор исследования Джулия Шарвахтер из Международной обсерватории Джемини/ NOIRLab. "Этот экстремальный случай показывает, что механизм быстрого питания выше предела Эддингтона является одним из возможных объяснений того, почему мы видим эти очень тяжелые черные дыры так рано во Вселенной".

Эти результаты дают новое понимание формирования сверхмассивных черных дыр из меньших "семян", которые, согласно современным теориям, возникают либо в результате гибели первых звезд Вселенной (легкие семена), либо в результате прямого коллапса газовых облаков (тяжелые семена). До сих пор эти теории не имели наблюдательных подтверждений. "Открытие супер-Эддингтоновой аккретирующей черной дыры свидетельствует о том, что значительная часть роста массы может происходить в течение одного эпизода быстрого питания, независимо от того, возникла ли черная дыра из легкого или тяжелого семени", - говорит Сух.

Открытие LID-568 также указывает на возможность превышения черной дырой предела Эддингтона, и дает астрономам первую возможность изучить, как это происходит. Вполне возможно, что мощные оттоки, наблюдаемые в LID-568, действуют как выпускной клапан для избыточной энергии, сгенерированной экстремальной аккрецией, предотвращая то, чтобы система стала слишком нестабильной. Для будущего исследования этих механизмов команда планирует дальнейшие наблюдения с помощью JWST.

• телескоп Уэбба
• Черные дыры