Виявлено найпершу з коли-небудь знайдених надмасивних чорних дір

Об’єкт, що причаївся на туманному світанку Всесвіту, підніс астрономам великий сюрприз.

Спостереження, зібрані за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба, виявили активну надмасивну чорну діру, яка в 9 мільйонів разів перевищує масу Сонця, і яка активно зростає, поглинаючи матерію з простору навколо себе.

Через 570 мільйонів років після Великого вибуху це найперша надмасивна чорна діра, яка зростає, хоча вчені сподіваються, що вона не залишиться рекордсменом надовго.

Чорна діра була знайдена всередині однієї з найперших коли-небудь виявлених галактик, раніше відомої як EGSY8p7, а відтоді перейменованої на CEERS 1019. Її відкриття може допомогти вирішити одну з найбільших загадок раннього Всесвіту: як чорні діри в Космічному Світанку виросли до таких великих розмірів за такий короткий проміжок часу.

Стаття, що детально описує відкриття під керівництвом астрофізика Ребекки Ларсон з Техаського університету в Остіні, з’явилася у спеціальному випуску журналу The Astrophysical Journal.

“Ми знайшли найвіддаленіше активне галактичне ядро (AGN) і найдавнішу чорну діру, яку ми коли-небудь знаходили”, – розповіла Ларсон в інтерв’ю ScienceAlert .

Спочатку Ларсон розглядала CEERS 1019 як частину своєї роботи з дослідження світла, що утворюється при формуванні зірок у ранньому Всесвіті.

Вважається, що це світло, яке називається альфа-випромінюванням Лаймана, генерується іонізацією нейтрального водню в процесі зореутворення. Ранній Всесвіт був заповнений туманом нейтрального водню, який перешкоджав поширенню світла; лише після того, як цей водень був іонізований, світло могло вільно поширюватися.

Ця Епоха реіонізації, як відомо, до кінця не вивчена. Ми знаємо, що вона відбулася в перший мільярд років після Великого вибуху 13,8 мільярда років тому, але зазирнути так далеко вглиб раннього Всесвіту дуже важко. CEERS 1019 та кілька інших надранніх галактик є чудовими об’єктами для цього дослідження, оскільки вони відносно яскраві.

Галактика була ідентифікована в даних Хаббла в 2015 році, і на той час вона була найранішою і найвіддаленішою галактикою зі спостережуваних.

Подальші спостереження підтвердили її існування, але більш детальна інформація залишалася невловимою: Найдавніше світло у Всесвіті через розширення Всесвіту настільки змістилося в інфрачервону частину спектра, що для його дослідження необхідний потужний спеціальний інфрачервоний інструмент, такий як JWST.

Отже, коли з’явився JWST, CEERS 1019 – найяскравіша з галактик Габбла цієї епохи – стала очевидною ціллю. Телескоп дивився на галактику лише одну годину, використовуючи всі чотири інструменти, але повернув безліч даних.

“У той момент я подумав: “Вау, подивіться на все, що ми можемо бачити за допомогою JWST, ми бачили цілу частину спектра цієї галактики – і будь-яких галактик на початку Всесвіту – яку ми ніколи не бачили раніше”, – розповів Ларсон в інтерв’ю ScienceAlert.

“Я був просто приголомшений кількістю інформації”.

Але потім Ларсон помітила дещо, чого вона не зовсім очікувала. На додаток до світла зореутворення, там була широка емісійна особливість, яка зазвичай асоціюється з AGN. Коли вона розповіла про це деяким дослідникам АГН, все почало ставати цікавим.

Зазвичай галактика в ранньому Всесвіті випромінює або світло від Наднової, або світло від зореутворення. Побачити і те, і інше в одній галактиці було надзвичайно несподівано.

“Я був здивований так само, як і всі”, – сказав Ларсон.

“Ми тижнями сперечалися, яким саме він має бути, чи то одним, чи то іншим. А виявляється, це і те, і інше. Існує певний вплив чорної діри на емісійні лінії, які ми бачимо, але більшість світла, яке ми бачимо на наших зображеннях, все ще домінує в зореутворюючій частині галактики”.

Те, що надмасивна чорна діра існувала понад 13,2 мільярда років тому і продовжувала зростати, не так дивно, як ви можете подумати.

Набагато більші чорні діри були виявлені в ранньому Всесвіті; J1342+0928, квазігалактика, виявлена через 690 мільйонів років після Великого вибуху, має надмасивну чорну діру розміром у 800 мільйонів Сонць. Чорна діра в J0313-1806, виявлена через 670 мільйонів років після Великого вибуху, має розмір 1,6 мільярда Сонць.

В обох цих квазарах домінує випромінювання AGN. На думку Ларсон та її колег, CEERS 1019 є проміжним етапом: точкою між пізнішими, більшими галактиками, в яких домінує AGN, і тим, як ці галактики та їхні чорні діри почали формуватися в першу чергу.

“Ми не знали і досі не знаємо, як чорні діри в цих галактиках стали такими масивними на такому ранньому етапі розвитку Всесвіту”, – каже Ларсон.

“Ми знайшли те, що, на нашу думку, могло бути прабатьком або тим, що переросло в ці неймовірно масивні квазари”.

Дивлячись на надмасивну чорну діру в CEERS 1019, дослідники вважають, що об’єкт утворився в результаті колапсу масивного об’єкта, такого як одна з перших зірок у Всесвіті.

Ці зірки були набагато, набагато більшими за зірки, які ми маємо навколо сьогодні, тому чорна діра від такого колапсу мала б мати фору на шляху до надмасивності.

Але йому все одно потрібен був би невеликий поштовх. Це могло б відбуватися у формі періодичної супер-Еддінгтонової акреції. Межа Еддінгтона – це максимальна стійка швидкість, з якою можуть рости чорні діри. Матеріал закручується навколо чорної діри в диску, потрапляючи в чорну діру, як вода в водостік.

За межею Еддінгтона матеріал рухається так швидко, що замість того, щоб обертатися навколо чорної діри, він відлітає в космос. Супер-Еддінгтонівська акреція можлива лише протягом коротких періодів часу; але, згідно з моделюванням команди, вона може бути можливою у вигляді сплесків, які допомогли вирости чорній дірі в центрі CEERS 1019.

“Ми не звикли бачити стільки структури на зображеннях на таких відстанях”, – каже член команди CEERS, астроном Джейхан Карталтепе з Рочестерського технологічного інституту в Нью-Йорку.

“Злиття галактик може бути частково відповідальним за підживлення активності в чорній дірі цієї галактики, що також може призвести до посилення зореутворення”.

Але найкращий спосіб дізнатися про них більше – знайти більше проміжних галактик, і це виглядає надзвичайно досяжним.

Як зазначає Ларсон, результати були отримані лише за одну годину спостережень. Очікується, що по-справжньому глибокі спостереження дозволять виявити більш віддалені і навіть слабкі галактики, які нарешті допоможуть нам зрозуміти, як народився Всесвіт і як він зростав.

“Я не думаю, що мій рекорд протримається довго, – сказав Ларсон. “І я сподіваюся, що це не так, тому що я думаю, що це більш захоплююче, що ми починаємо відповідати на ці питання”.