Международная группа астрономов впервые напрямую измерила массу черной дыры в одном из самых далеких объектов нового класса — «маленьких красных точках». Статья об этом опубликована в журнале Nature.
Речь идет об объекте Abell 2744-QSO1. Он находится при красном смещении z = 7,04. Это значит, что ученые видят его таким, каким он был примерно через 700 млн лет после Большого взрыва. Объект обнаружили и изучили с помощью космического телескопа James Webb.
«Маленькие красные точки» — это компактные и тусклые объекты ранней Вселенной. Они выглядят красными в видимом диапазоне и часто показывают признаки активных черных дыр. Но до сих пор было неясно, насколько точно обычные методы оценивают массу таких черных дыр. Некоторые модели допускали, что оценки могли быть завышены почти в 100 раз.
Авторы новой работы проверили это прямым способом. Им помогла гравитационная линза — массивное скопление галактик Abell 2744. Его гравитация усилила и растянула свет QSO1, поэтому James Webb смог рассмотреть движение газа вокруг центра объекта.
Ученые использовали данные спектрографа NIRSpec и проследили узкую линию водорода Hα. По скорости газа они восстановили кривую вращения. Она оказалась похожа на кеплерово движение — так газ вращается вокруг компактной центральной массы. Такой профиль нельзя хорошо объяснить плотным звездным скоплением, газом или темной материей.
Расчеты показали, что в центре QSO1 находится черная дыра массой около 50 млн масс Солнца. Это согласуется с прежними оценками по широким спектральным линиям. Значит, по крайней мере для этого объекта такие оценки массы работают и в очень ранней Вселенной.
Главная неожиданность — почти полное отсутствие обычной галактики вокруг черной дыры. По оценке авторов, масса звезд в системе меньше 20 млн масс Солнца. Отношение массы черной дыры к массе звезд превышает 2. В современных галактиках оно обычно на порядки меньше.
Иными словами, черная дыра в QSO1 тяжелее своей звездной системы. Авторы называют ее самым «голым» массивным черным объектом такого рода. Это важно для спора о том, что появилось раньше: массивные черные дыры или галактики, в которых они живут.
Результат поддерживает идею, что в ранней Вселенной могли существовать тяжелые «зародыши» черных дыр. Они могли возникнуть при прямом коллапсе огромных облаков первичного газа. Другой вариант — первичные черные дыры, которые могли сформироваться в первые мгновения после Большого взрыва. Но ни одна из этих версий пока не объясняет все свойства QSO1 без трудностей.
Черная дыра при этом сейчас не растет на пределе своих возможностей. Авторы оценили ее светимость примерно в 2% от предела Эддингтона — уровня, при котором излучение уже мешает веществу падать внутрь. Это может означать, что объект находится в спокойной фазе после более бурного периода роста.
Метод работы — прямое динамическое измерение массы черной дыры по движению газа с помощью данных JWST/NIRSpec и эффекта гравитационной линзы.