Найперша чорна діра, помічена на зорі часу, і вона вже величезна

Надмасивна чорна діра, що зіткнулася у Космічному Світанку, побила рекорд найпершої чорної діри, яку ми коли-небудь бачили.

Вона була виявлена в галактиці, відомій як UHZ1, всього через 470 мільйонів років після Великого Вибуху, в період, коли Всесвіт був ще немовлям. Насправді, це настільки ранній вік Всесвіту, що чорна діра перебуває на стадії розвитку, яку ми ніколи раніше не бачили – вона має таку ж масу, як і галактика, що росте навколо неї.

Вона настільки далека, що світлу довелося подолати 13,2 мільярда років, щоб дістатися до нас. Щоб знайти її, яка ховається в каламутній глибині часу і простору, знадобилася об’єднана потужність рентгенівської обсерваторії Чандра, космічного телескопа імені Джеймса Вебба (JWST) та теорія відносності.

Це відкриття, на думку команди під керівництвом астрофізика Акоса Богдана з Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики (CfA), є ключовим доказом способу утворення надмасивних чорних дір, який вимагає прямого гравітаційного колапсу величезної хмари газу в надщільний об’єкт, який потім стає все більшим і більшим з плином часу.

“Існують фізичні обмеження на те, як швидко чорні діри можуть рости після утворення, але ті, що народжуються більш масивними, мають фору”, – каже астрофізик Енді Гулдінг з Прінстонського університету. “Це схоже на посадку саджанця, якому потрібно менше часу, щоб вирости в повнорозмірне дерево, ніж якби ви почали з насінини”.

Діаграма, що ілюструє модель прямого колапсу при утворенні надмасивної чорної діри. (NASA/STScI/Leah Hustak)

Річ у тому, що надмасивні чорні діри майже незбагненно величезні. Стрілець А*, надмасивна чорна діра в серці Чумацького Шляху, у 4,3 мільйона разів перевищує масу Сонця – і це відносно скромно, як для надмасивних чорних дір.

Ми не знаємо, як ці об’єкти стають такими величезними, але одне стає абсолютно зрозумілим: у ранньому Всесвіті їх набагато більше, ніж ми очікували, і вони занадто масивні, щоб вирости з чогось розміром із зорю так швидко після Великого вибуху.

Найкращий спосіб з’ясувати, що відбувається, – це поглянути і зробити висновки на основі того, що ми спостерігаємо, але першу частину набагато легше сказати, ніж зробити.

Космічний світанок, який охоплює перший мільярд років після Великого вибуху, насправді дуже далекий, і будь-яке світло в тих далеких краях дуже тьмяне і дуже червоне, ослаблене розтягуванням простору-часу, що розширюється.

Розташування UHZ1 за Abell 2744. (Богдан та ін., arXiv, 2023)

JWST – найпотужніший космічний телескоп з коли-небудь побудованих, і він бачить Всесвіт у цьому червоному світлі. Але навіть цього недостатньо.

Щоб виявити UHZ1, Богдан та його команда використали особливість теорії відносності, яка називається гравітаційною лінзою. Вони існують тому, що величезна кількість гравітації в одній точці, наприклад, гравітація скупчення галактик, змушує сам простір-час викривлятися навколо неї. Будь-яке світло, що подорожує крізь викривлений простір-час з більш віддалених частин Всесвіту, може збільшуватися, повторюватися і спотворюватися.

UHZ1 лежить за скупченням галактик на відстані близько 3,5 мільярдів світлових років від нас під назвою Abell 2744, гравітація якого спричинила чотирикратне збільшення світла UHZ1. Це означає, що JWST може розрізнити світло самої галактики; і Чандра зміг розгледіти рентгенівське випромінювання, випромінюване газом, що закручується навколо надмасивної чорної діри в її центрі.

За цим світлом Богдан і його команда оцінили масу як самої чорної діри, так і галактики навколо неї. Якщо чорна діра поглинає речовину з максимальною швидкістю, на яку вона здатна, її маса в 10-100 мільйонів разів перевищує масу Сонця. А це приблизно така ж маса, як у решти зірок галактики UHZ1 разом узятих, виявили дослідники.

Зазвичай відношення маси чорної діри до маси галактики, в якій вона знаходиться, становить близько піввідсотка. Маси, задіяні тут, вказують на те, що UHZ1 і її чорна діра все ще перебувають на дуже ранній стадії розвитку – і що насіння чорної діри, ймовірно, утворилося в результаті прямого колапсу, а не повільної акреції.

“Ми вважаємо, що це перше виявлення “Надвеликої чорної діри” і найкращий доказ того, що деякі чорні діри утворюються з масивних хмар газу”, – говорить астрофізик Пріямвада Натараджан з Єльського університету. “Вперше ми спостерігаємо короткий етап, коли надмасивна чорна діра важить приблизно стільки ж, скільки зірки в її галактиці, перш ніж вона відстає”.

Це не означає, що модель повільної акреції не може бути вірною, принаймні для деяких надмасивних чорних дір. Але сукупність доказів вказує на те, що принаймні в дуже ранньому Всесвіті прямий колапс є найкращим способом утворення надвеликої чорної діри.

Але навіть зараз ми ледве подряпали поверхню того, що JWST може знайти в ранньому Всесвіті. Туманний світанок часу, без сумніву, має для нас ще багато сюрпризів.

Дослідження було прийнято в журнал Nature Astronomy і доступне на сервері препринтів arXiv.