Джеймс Уэбб наблюдает самую старую из известных сверхмассивных черных дыр во Вселенной

Расположенная в центре одной из первых галактик во Вселенной, названной CEERS_1019, она является самой далекой активной черной дырой из когда-либо обнаруженных: она находится всего через 570 миллионов лет после Большого взрыва! Ее масса оценивается примерно в 10 миллионов солнечных масс. Это открытие может помочь астрофизикам понять, как такие черные дыры могли достичь таких размеров за столь короткое время.

Одним из важнейших периодов космической истории является эпоха реионизации, наступившая сразу после Темных веков, во время которой материя между галактиками претерпела значительный переход от нейтрального к ионизированному водороду, объясняют исследователи. Предполагается, что это явление связано с излучением от первого поколения массивных звезд (звезд популяции III). Однако доказательств в пользу этой гипотезы не хватает, и природа этого излучения, а также то, когда оно началось и как долго продолжалось, все еще остается предметом споров.

До сих пор ни один прибор не мог наблюдать раннюю Вселенную. Но благодаря телескопу "Джеймс Уэбб" появилась возможность детально изучить галактики первого миллиарда лет. Определение того, когда и как образовались первые черные дыры, является одной из многих загадок, которые пытаются разгадать ученые. В частности, они надеются пролить свет на роль, которую они сыграли в реионизации, наряду с ионизирующими фотонами, испускаемыми массивными звездами.

Неожиданные спектральные данные для молодой галактики

В современной Вселенной сверхмассивные черные дыры находятся в центре массивных галактик, включая центр Млечного Пути, в котором находится черная дыра Стрелец A*. Согласно стандартной модели аккреции, эти чрезвычайно массивные объекты, возраст которых превышает 13 миллиардов лет, на протяжении всего этого времени неуклонно поглощали материю, что может объяснить их нынешнюю массу. Однако эта модель роста была поставлена под сомнение открытием сверхмассивных черных дыр на красных смещениях (z) больше 7 (что соответствует примерно 670 миллионам лет после Большого взрыва).

Недавно обнаруженная аккрецирующая черная дыра еще более далека: ее возраст составляет всего 570 миллионов лет (z = 8,679). "Мы обнаружили самое удаленное активное галактическое ядро и самую удаленную и самую старую черную дыру, которую мы когда-либо находили", — сказала ScienceAlert Ребекка Ларсон, астрофизик из Техасского университета в Остине и первый автор статьи, описывающей это открытие. Черная дыра находится в центре галактики CEERS_1019, особенно яркой галактики из ранней Вселенной, обнаруженной Хабблом в 2015 году (тогда она называлась EGSY8p7).

Эта галактика является прекрасным объектом для изучения эпохи реионизации; в рамках своего исследования Ребекка Ларсон изучала свет, возникающий при образовании первых звезд в этой галактике, пытаясь лучше понять процесс ионизации нейтрального водорода. Благодаря данным Джеймса Уэбба - собранным всего за один час наблюдений - она смогла получить доступ к невиданным ранее деталям.

В дополнение к свету, связанному со звездообразованием, эти новые спектральные данные также выявили эмиссионные линии, характерные для активных галактических ядер. Увидеть эти две особенности в одной молодой галактике было просто неожиданно - обычно наблюдаемые линии обусловлены одним или другим явлением.

Коллапс звезды с последующей "супераккрецией" материи

"Черная дыра оказывает некоторое влияние на наблюдаемые нами эмиссионные линии, но большая часть света, который мы видим на наших снимках, все же обусловлена звездообразованием в галактике", — говорит она. В этом отношении эта черная дыра заметно отличается от нескольких других сверхмассивных черных дыр, обнаруженных в ранней Вселенной - таких, как квазары J1342+0928 и J0313-1806 возрастом 690 и 670 миллионов лет, с массами, эквивалентными 800 миллионам и 1,6 миллиарда солнечных масс соответственно.

В отличие от черной дыры CEERS_1019, в спектрах этих двух квазаров доминирует излучение их активных галактических ядер. Таким образом, эта галактика может быть "промежуточной стадией", между образованием самых первых галактик и их черных дыр и более поздними, более массивными галактиками. "Мы не знали и до сих пор не знаем, как черные дыры в этих галактиках стали такими массивными так рано во Вселенной. Мы нашли то, что, по нашему мнению, является прародителем или тем, что породило эти невероятно массивные квазары", — говорит она.

Существование сверхмассивных черных дыр в первые миллиарды лет существования Вселенной, наконец, привело к альтернативной теории их зарождения: "прямого коллапса" черных дыр. Команда предполагает, что эти черные дыры действительно могут возникнуть в результате коллапса чрезвычайно массивного объекта, например, одной из первых звезд во Вселенной. Поскольку эти звезды были намного массивнее современных звезд, это может объяснить, почему эти черные дыры стали такими большими за относительно короткое время.

Но это еще не все: существует еще одно явление, так называемая суперэддингтоновская аккреция. Чтобы эти черные дыры стали сверхмассивными менее чем через миллиард лет после Большого взрыва, аккреция массы на "семя" черной дыры должна была быть очень быстрой: скорость аккреции должна была превысить предел Эддингтона - точку, в которой внешняя сила, создаваемая давлением излучения, равна гравитационному притяжению падающего вещества; за этой точкой давление излучения преобладает над гравитацией, и вещество выбрасывается в космос. Сверхэддингтоновская аккреция позволяет кратковременно превысить этот предел.

Моделирование, проведенное Ларсон и ее командой, показывает, что это явление могло способствовать быстрому росту черной дыры. Наблюдение других промежуточных галактик, даже более отдаленных, позволит подтвердить этот сценарий и, в более широком смысле, понять, как развивалась Вселенная.