Спящая черная дыра оказалась гораздо массивнее, чем должна быть на самом деле
Космический телескоп "Джеймс Уэбб" обнаружил в ранней Вселенной необычную галактику с черной дырой, масса которой почти в два раза меньше массы самой галактики, что поднимает новые вопросы о том, как она сформировалась
Космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST) обнаружил спящую черную дыру - и она гораздо массивнее, чем должна быть. Черные дыры способны впадать в "спячку", если они не получают достаточно энергии. Jurik Peter/Shutterstock
Черная дыра в ранней Вселенной имеет почти половину массы родительской галактики несмотря на то, что больше не поглощает материю, что заставляет задуматься о том, как происходит эволюция черных дыр.
Игнас Юоджбалис из Кембриджского университета и его коллеги изучали данные космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) и обнаружили нечто необычное. Это была тусклая галактика - сегодня мы видим ее такой, какой она была 13 миллиардов лет назад, всего через 800 миллионов лет после Большого взрыва - с черной дырой в центре. Оказалось, что масса этой дыры практически вдвое меньше массы самой галактики - в 400 миллионов раз больше массы нашего Солнца. Ученые заявили, что она в тысячи раз массивнее, чем считалось ранее.
Как правило, активные черные дыры (согласно гипотезе) испускают излучение, но эта ЧД выглядела крайне "слабой", что говорит о том, что она находится в спящем состоянии, быстро увеличившись до неимоверных размеров в самом начале своей жизни. "Это одна из самых тусклых черных дыр, которые мы наблюдаем", - говорит Юоджбалис. "Наша находка служит убедительным доказательством в пользу того, что черные дыры в ранней Вселенной растут очень быстрыми всплесками".
Большинство галактик, включая нашу собственную, содержат сверхмассивную черную дыру в своем центре, но они обычно гораздо меньше галактики-хозяина. Например, центральная черная дыра Млечного Пути в 10 000 раз менее массивна, чем сама галактика.
Черная дыра, обнаруженная командой Юоджбалиса, по-видимому, затормозила рост своей галактики, поэтому процесс звездообразования в ней так и не начался. "Это самая сверхмассивная черная дыра из всех, что были найдены, - говорит Фабио Пакуччи из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Массачусетсе, который не принимал участия в исследовании.
На расстоянии 13,2 миллиарда световых лет обнаружена самая древняя черная дыра, ровесница Вселенной
По словам Юоджбалиса, это могло произойти в результате слияния этой галактики с другой, что "подпитало" черную дыру. Такие фазы роста черных дыр могут длиться всего от 4 до 10 миллионов лет, так что вероятность наблюдать черную дыру в этой стадии очень мала.
По словам Юоджбалиса, в будущем возможно еще одно поглощение, которое возобновит рост черной дыры, но более вероятно, что в конечном итоге в галактике начнется процесс формирования звёзд и она превратится в привычный для нас гравитационно связанный космический объект. "Она все еще продолжает накапливать межзвёздный газ и частицы из межгалактического пространства", утверждает ученый.
Вместе с тем Пакуччи считает, что это не самый характерный случай роста галактики. "Я думаю, что это очень интересный и необычный объект", - говорит он. " Не уверен, что именно так эволюционируют "нормальные" галактики".
Ученые считают, что необычные размеры этой черной дыры могут объяснить, каким образом рождались и росли сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной. Это один из важнейших вопросов астрономии, которые до сих пор остаются открытыми. Некоторые астрономы уверены, что первые звезды взорвались как сверхновые и образовали малые черные дыры массой в 10-100 раз больше массы нашего Солнца, которые затем стали очень быстро расти. Другие утверждают, что черные дыры, масса которых находится в диапазоне от 10 000 до 100 000 солнечных масс, образовались в результате гравитационного коллапса облаков газа.
Черная дыра открытая Юоджбалисом и его командой, скорее всего, относится к первому типу. "Мы исключаем из рассмотрения множество черных дыр с прямым коллапсом, которые образовались в "тяжелых условиях", - говорит он. "Вполне вероятно, что черные дыры образовались из первых звезд и просто росли с очень высокой скоростью".
Поиск других сверхмассивных галактик, подобных этой, может дать больше ответов. "По светимости мы находимся на самой вершине айсберга", - говорит Пакуччи. "Ранее считалось, что если опуститься по светимости ниже, то можно найти объекты меньшей массы. Но это исследование показывает, что это не так".
Диаграмма зависимости скорости звездообразования от звездной массы, показывающая расположение JADES GN 1146115 относительно звездообразующей главной последовательности. Черная пунктирная линия показывает звездообразование главной последовательности экстраполированное на z = 6.677, а серая заштрихованная область отражает погрешности. Данные при 7 < z < 9 показаны коричневыми и красными символами. Пунктирная синяя линия указывает предел, ниже которого галактике требуется больше хаббловского времени при z = 6,677, за которое ее масса увеличится вдвое. Пурпурный круг показывает местоположение JADES GN 1146115, что согласуется с пунктирной линией в пределах 1σ.
Аннотация к научной статье
Недавние наблюдения обнаружили большое количество сверхмассивных черных дыр уже в первые несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Механизмы образования и роста этих ранних массивных черных дыр неясны, сценарии варьируются от тяжелых до легких "семян", испытывающих всплески высокой скорости аккреции. В рамках исследования JADES ученые зафиксировали сильное излучение H-alpha в галактике с z=6.68. Это свидетельствует о наличии в ее центре черной дыры с массой ~ 4 * 10^8 масс солнца. Она аккрецирует со скоростью, лишь в 0.02 раза превышающей эддингтоновский предел. Галактика-хозяин отличается крайне низкой скоростью звездообразования (~ 1 млн солнечных масс в год, что в 3 раза ниже скорости звездообразования главной последовательности)
Отношение массы черной дыры к звездной массе составляет ~ 0,4, то есть примерно в 1 000 раз выше локального значения, в то время как по динамической массе и дисперсии скоростей галактики-хозяина система ближе к традиционным значениям. Этот объект, является своего рода вершиной айсберга гораздо более крупной популяции спящих черных дыр, родившихся в эпоху реионизации. Его свойства соответствуют сценарию, в котором короткие всплески суперэддингтоновской аккреции приводят к росту черной дыры и выбросу массивного газа из аккреционного диска - между всплесками черные дыры в спящем состоянии проводят большую часть своей жизни.