Астрономы обнаружили быстро растущую чёрную дыру массой более миллиарда Солнц в ранней Вселенной

Астрономы исследовали сверхмассивную чёрную дыру, которая активно поглощала вещество, когда возраст Вселенной составлял менее миллиарда лет. Её масса оценивается примерно в 1,1 миллиарда солнечных масс, а окружающая галактика содержит огромное количество космической пыли. Совместные наблюдения космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) и комплекса радиотелескопов ALMA позволили установить особенности этого объекта и выяснить, как происходил рост сверхмассивных чёрных дыр на ранних этапах космической истории.

Исследование провела международная группа астрономов под руководством Дамина Яна из Лейденской обсерватории в Нидерландах. Учёные изучили квазар J1440+0019 с красным смещением 6,5488, обнаруженный ранее в рамках астрономического обзора SHELLQs. Квазары представляют собой чрезвычайно яркие активные ядра галактик, в которых вещество, падающее на сверхмассивную чёрную дыру, разогревается и испускает мощное излучение.

Особенность J1440+0019 заключается в том, что часть его излучения поглощается и рассеивается окружающей пылью. Обычно далёкие квазары обнаруживают по интенсивному ультрафиолетовому излучению, однако пыль способна значительно ослаблять его и изменять наблюдаемый цвет объекта. Из-за этого некоторые активно растущие чёрные дыры ранней Вселенной могут оставаться незамеченными при традиционных поисках.

С помощью спектрографа NIRSpec телескопа «Джеймс Уэбб» исследователи проанализировали излучение квазара и подтвердили, что оно испытывает умеренное поглощение космической пылью. По характеристикам спектральных линий астрономы оценили массу центральной чёрной дыры примерно в 1,1 миллиарда масс Солнца. При этом мощность её излучения составляет около 80% предела Эддингтона — уровня, при котором давление излучения становится сопоставимым с силой гравитационного притяжения падающего вещества.

Такая высокая светимость свидетельствует об интенсивном поглощении вещества чёрной дырой. Исследователи также обнаружили признаки потоков ионизированного газа, движущихся со скоростью до 3600 километров в секунду. Предположительно, эти потоки возникают вблизи активного галактического ядра и могут влиять на распределение вещества в окружающем пространстве.

Наблюдения ALMA позволили изучить саму галактику, окружающую квазар. Она оказалась одним из наиболее ярких источников излучения однократно ионизированного углерода среди известных галактик с красным смещением выше шести. Такое излучение помогает астрономам исследовать холодный межзвёздный газ, из которого могут формироваться новые звёзды.

По расчётам исследователей, масса космической пыли в галактике достигает примерно 400 миллионов солнечных масс. Эта оценка зависит от принятой температуры пыли и особенностей её излучения. Учёные также установили, что темпы звездообразования могут достигать 1330 солнечных масс в год, однако это лишь верхняя граница оценки, а не подтверждённая скорость формирования звёзд.

Обнаружение столь массивной чёрной дыры в молодой Вселенной представляет значительный интерес для астрофизики. Согласно современным представлениям, первые сверхмассивные чёрные дыры должны были вырасти из значительно менее массивных объектов за относительно короткое время. При этом наблюдения показывают, что уже в первые сотни миллионов лет космической истории некоторые из них достигали миллиардов солнечных масс.

Новые данные также свидетельствуют о том, что активный рост чёрных дыр мог происходить в галактиках, содержащих большие запасы газа и пыли. Подобные объекты особенно важны для изучения эпохи реионизации, когда излучение первых звёзд, галактик и активных ядер постепенно изменяло состояние межгалактического водорода.

Исследователи считают, что будущие обзоры космоса с помощью телескопов Euclid и Nancy Grace Roman помогут обнаружить больше подобных квазаров. Сопоставление их характеристик позволит точнее оценить распространённость скрытых пылью активных галактических ядер и выяснить, какую роль они играли в формировании первых массивных галактик.

Результаты исследования опубликованы в виде препринта на arXiv.