Астрономи вперше отримали та вивчили спектр надзвичайно яскравої галактики в молодому Всесвіті – об’єкта GN-z11, який довгий час залишався найдавнішою галактикою. Тепер учені підтвердили, що в її центрі знаходиться надмасивна чорна діра – поки що найдавніша з виявлених під час спостережень.
Міжнародна група дослідників під керівництвом вчених із Кембриджського університету (Велика Британія) за допомогою даних, зібраних космічним телескопом “Джеймс Вебб”, підтвердила наявність чорної діри в центрі далекої галактики GN-z11. Ми бачимо її такою, якою вона була всього через 400 мільйонів років після Великого вибуху. Її червоний зсув z = 10,6.
Самі чорні діри не випромінюють, тому висновки про їхню наявність чи відсутність учені можуть робити лише за непрямими ознаками, наприклад, за випромінюванням матерії, що падає в діру. У 2023 році інша група вчених опублікувала перший аналіз спектра GN-z11 за даними інструменту NIRCam. Тоді дослідники дійшли висновку, що яскравість і особливості випромінювання свідчать про активне зореутворення. Проте вони не змогли виключити ймовірність існування в цій галактиці активного ядра.
У новій роботі вчені проаналізували більш точний спектр GN-z11. У ньому вони знайшли спектральні особливості, які найкраще пояснюються якраз через наявність активного ядра, тобто надмасивної чорної діри, що активно поглинає матерію. Якщо точніше, це сейфертівська галактика першого типу з вузькими лініями (NLSy1).
Автори дослідження розглянули ймовірність, що характерне випромінювання створюється лише зірками, зокрема Вольфа – Райє. Але дійшли висновку, що навіть якщо такі зірки є в GN-z11, вони мають “сусідити” з активним ядром. Стаття опублікована в журналі Nature.
За оцінкою вчених, маса цієї надмасивної чорної діри – приблизно 1,6 мільйона сонячних мас. Для порівняння: маса діри в центрі Чумацького Шляху – близько 4,31 мільйона сонячних. Чорній дірі, що утворилася з померлої зірки, знадобився б мільярд років, щоб вирости до таких розмірів. Тому або початковий об’єкт спочатку був великими (наприклад, утворився безпосередньо під час колапсу хмари), або він поглинав матерію набагато швидше, ніж вважають можливим вчені.
“Ця чорна діра занадто масивна для такого молодого Всесвіту, тому ми зобов’язані розглянути інші сценарії її формування. Найбільш ранні галактики були надзвичайно багаті газом, тож вони були ідеальним “застіллям” для чорних дір”, – пояснив головний автор дослідження професор Роберто Майоліно (Roberto Maiolino). Але це несе сумні наслідки для самої галактики.
Графік маси чорної діри як функції червоного зміщення і віку Всесвіту. Об’єкт у центрі GN-z11 позначений жовтим колом. На ілюстрації показано, як мала б розвиватися маса цієї діри за різних сценаріїв: різних “зерен” і різних швидкостей поглинання матерії. Дрібними сірими колами позначені інші чорні діри, виявлені в більш дорослому Всесвіті / © Roberto Maiolino et al, Nature (2024)
Галактика GN-z11 дуже компактна, приблизно в 100 разів менша за Чумацький Шлях. Настільки активне ядро, ймовірно, гальмує її розвиток, поглинаючи і відкидаючи вітром занадто багато матерії. За таких умов зореутворення може зупинитися, і тоді галактика “помре”, а разом із нею “затихне” чорна діра, адже в неї зникне джерело живлення.
Існує безліч гіпотез про те, як у молодому Всесвіті, протягом одного мільярда років, могли сформуватися настільки масивні чорні діри. По-перше, вчені розглядають різні сценарії появи “зерен”, з яких потім виросли ці об’єкти. Наприклад, космологи, які дотримуються циклічної моделі, припускають, що порівняно великі чорні діри потрапили в поточний Всесвіт з його минулого циклу (реліктові чорні діри). По-друге, вивчаються різні моделі акреції матерії.
Щоб зіставити ці сценарії з реальністю, потрібно накопичити базу даних щодо найдавніших надмасивних чорних дір. Тепер, завдяки новим інструментам, це стало можливо.
“Настала нова ера: гігантський стрибок у чутливості, особливо в інфрачервоній частині спектра. Це можна порівняти з одномоментним переходом від телескопа Галілео до сучасного телескопа”, – зазначив Майоліно.
