Яркая область ядра квазара, активной галактики, взгляд художника. Сверхмассивная черная дыра в центре окружена ярким диском из газа и пыли. Пылевой компонент, расположенный дальше, может затмить вид внутри и светится преимущественно в среднем инфракрасном диапазоне, свет, который можно проанализировать с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба. Из непосредственной близости от черной дыры пучок частиц высокой энергии вылетает в пространство перпендикулярно диску. Фото предоставлено: Т. Мюллер / MPIA
Космический телескоп Джеймса Уэбба наблюдал галактику на особенно молодой стадии развития Вселенной. Оглядываясь назад в прошлое, стало ясно, что свету галактики J1120+0641 потребовалось почти столько же времени, чтобы достичь Земли, сколько потребовалось Вселенной для эволюции до настоящего времени. Как показали независимые измерения, необъяснимо, как черная дыра в ее центре могла весить более миллиарда солнечных масс. Результаты были опубликованы в журнале Nature Astronomy.
Недавние наблюдения материала в непосредственной близости от черной дыры должны были выявить особенно эффективный механизм питания, но не нашли ничего примечательного. Этот результат еще более необычен: он может означать, что астрофизики знают об эволюции галактик меньше, чем они думали. И все же они ни в коем случае не разочаровывают.
Первый миллиард лет космической истории представляет собой сложную задачу: самые ранние из известных черных дыр в центрах галактик имеют удивительно большие массы. Как они могли так быстро стать такими огромными? Новые наблюдения, описанные здесь, предоставляют убедительные доказательства против некоторых предложенных объяснений, в частности, против «сверхэффективного режима питания» самых ранних черных дыр.
Пределы роста сверхмассивных черных дыр
Звезды и галактики сильно изменились за последние 13,8 миллиардов лет — за время существования Вселенной. Галактики стали больше и приобрели большую массу либо за счет поглощения окружающего газа, либо (иногда) за счет слияния друг с другом. Долгое время астрономы предполагали, что сверхмассивные черные дыры в центрах галактик постепенно растут вместе с самими галактиками.
Однако рост черных дыр не может происходить ни с какой скоростью. Материя, падающая на черную дыру, образует вращающийся горячий яркий «аккреционный диск». Когда это происходит вокруг сверхмассивной черной дыры, в результате образуется активное ядро галактики. Самые яркие из этих объектов, называемые квазарами, входят в число самых ярких астрономических объектов во всем космосе. Однако эта яркость ограничивает количество материи, которая может упасть на черную дыру: свет оказывает давление, которое может предотвратить попадание в нее большего количества материи.
Как черные дыры могли так быстро набирать такую массу?
Вот почему астрономы были удивлены, когда наблюдения за далекими квазарами за последние двадцать лет выявили очень молодые черные дыры, которые тем не менее достигли массы до 10 миллиардов солнечных масс. Свету требуется время, чтобы добраться до нас от удаленного объекта. Поэтому смотреть на далекие предметы равносильно заглядыванию в далекое прошлое. Мы видим самые далекие из известных квазаров такими, какими они были в эпоху, называемую «космическим рассветом», менее чем через миллиард лет после Большого взрыва, когда образовались первые звезды и галактики.
Объяснение этих ранних массивных черных дыр представляет собой серьезную проблему для современных моделей эволюции галактик. Может ли быть так, что ранние черные дыры были способны накапливать газ гораздо эффективнее, чем их современные аналоги? Или же наличие пыли могло повлиять на оценки массы квазаров, так что исследователи переоценили массу ранних черных дыр? В настоящее время предлагается множество объяснений, но ни одно из них не является общепринятым.
Более пристальный взгляд на ранний рост черных дыр
Решение о том, какие из объяснений верны (если таковые имеются), требует более полной картины квазаров, чем было доступно ранее. С появлением космического телескопа JWST, особенно инструмента среднего инфракрасного диапазона MIRI, астрономы значительно улучшили свои возможности изучения далеких квазаров. MIRI в 4000 раз чувствительнее любого предыдущего инструмента при измерении спектров далеких квазаров.
Такие инструменты, как MIRI, создаются международными консорциумами, в которых ученые, инженеры и техники тесно сотрудничают. Естественно, консорциум очень заинтересован в проверке того, работает ли его инструмент так, как запланировано.
В обмен на создание инструмента консорциумы обычно получают определенное время для наблюдения. В 2019 году, за несколько лет до запуска JWST, европейский консорциум MIRI решил использовать часть этого времени для наблюдения за самым далеким из известных на тот момент квазаром — объектом с обозначением J1120+0641.
Наблюдение одной из самых ранних черных дыр
Анализ наблюдений провел Д. Сара Босман, научный сотрудник Института астрономии Макса Планка (MPIA) и член европейского консорциума MIRI. Вклад MPIA в инструмент MIRI включает создание ряда важных внутренних частей. Босман попросили присоединиться к сотрудничеству MIRI, чтобы поделиться своим опытом в том, как лучше всего использовать инструмент для изучения ранней Вселенной, особенно первых сверхмассивных черных дыр.
Наблюдения проводились в январе 2023 года во время первого цикла наблюдений JWST и длились примерно два с половиной часа. Они представляют собой первое исследование квазара в среднем инфракрасном диапазоне во время космического рассвета, почти через 770 миллионов лет после Большого взрыва (красное смещение z=7). Информация поступает не из изображения, а из спектра: радужного разложения света объекта на компоненты с разными длинами волн.
По следам пыли и быстрого газа
Общая форма среднего инфракрасного спектра («континуум») кодирует свойства большого тора пыли, окружающего аккреционный диск типичных квазаров. Этот тор помогает направить материю на аккреционный диск и «кормить» черную дыру.
Плохая новость для тех, кто предпочитает решение проблемы массивных ранних черных дыр в альтернативных режимах быстрого роста: тор и, следовательно, механизм питания в этом очень раннем квазаре, по-видимому, такие же, как и у его более современных аналогов. Единственное отличие состоит в том, что ни одна модель быстрого роста ранних квазаров не предсказала: немного более высокая температура пыли, примерно на сто Кельвинов выше, чем 1300 К, обнаруженная для самой горячей пыли в менее удаленных квазарах.
Более коротковолновая часть спектра, в которой преобладают излучения самого аккреционного диска, показывает, что свет квазара не ослабляется большим количеством пыли, чем обычно для нас, далеких наблюдателей. Аргументы о том, что мы могли просто переоценивать массы ранних черных дыр из-за дополнительной пыли, также не являются решением.
Ранние квазары «шокирующе нормальны»
Область широкой линии квазара, в которой сгустки газа вращаются вокруг черной дыры почти со скоростью света, что позволяет сделать выводы о массе черной дыры, а также о плотности и ионизации окружающей материи, также выглядит нормально. Практически по всем свойствам, которые можно вывести из спектра, J1120+0641 ничем не отличается от квазаров более поздних времен.
«В целом, новые наблюдения только усугубляют загадку: ранние квазары были шокирующе нормальными. Независимо от того, на каких длинах волн мы их наблюдаем, квазары почти идентичны во все эпохи существования Вселенной», — говорит Босман. Не только сами сверхмассивные черные дыры, но и механизмы их питания, по-видимому, уже были полностью «зрелыми», когда возраст Вселенной составлял всего 5% от ее нынешнего возраста.
Исключая ряд альтернативных решений, результаты убедительно подтверждают идею о том, что сверхмассивные черные дыры с самого начала имели значительные массы, выражаясь астрономическим жаргоном: что они были «изначальными» или «большими с самого начала». Сверхмассивные черные дыры не образовались из остатков ранних звезд и затем очень быстро стали массивными. Они, должно быть, сформировались рано с начальной массой не менее ста тысяч солнечных масс, вероятно, в результате коллапса массивных ранних газовых облаков.
Информация от: Обществом Макса Планка.
