Фото: CfA/Мелисса Вайс
Астрономы обнаружили, что сверхмассивные черные дыры в центрах ранних галактик гораздо массивнее, чем ожидалось. Эти удивительно огромные черные дыры позволяют по-новому взглянуть на происхождение всех сверхмассивных черных дыр, а также на самые ранние этапы жизни родительской галактики.
В близлежащих, зрелых галактиках, таких как наш Млечный Путь, общая масса звезд значительно превышает массу большой черной дыры, обнаруженной в центре галактики, примерно в соотношении 1000 к 1. Однако в недавно открытых далеких галактиках эта разница масс падает до 100 или 100 или 1000. 10 к 1 и даже 1 к 1, что означает, что черная дыра может равняться совокупной массе звезд своей родительской галактики.
Эта фотография неожиданно массивных черных дыр в молодых галактиках получена с космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), новейшей флагманской обсерватории НАСА. До запуска JWST в конце 2021 года астрономы обычно ограничивались в своих исследованиях далеких черных дыр невероятно яркими квазарами, состоящими из чудовищных, пожирающих материю черных дыр, которые полностью затмевают звезды в родительских галактиках.
«С помощью JWST мы теперь, наконец, можем наблюдать менее массовые, но все же сверхмассивные черные дыры в маленьких, далеких галактиках, а также мы можем видеть звезды в этих родительских галактиках», — говорит Фабио Пачуччи, научный сотрудник Клэя в Центре астрофизики. | Гарвард и Смитсоновский институт (CfA). «Это позволяет нам впервые изучать ранние черные дыры и их родительские галактики по мере их совместной эволюции».
Пачуччи является ведущим автором нового исследования, опубликованного в The Astrophysical Journal Letters, в котором сообщается о результатах, и представил эти результаты на 243-м собрании Американского астрономического общества в Новом Орлеане, штат Луизиана.
«Мы узнали, что далекие молодые галактики нарушают соотношение между массой черной дыры и звездной массой, которое очень хорошо установлено в близлежащих, зрелых галактиках: эти первобытные черные дыры, несомненно, сверхмассивны по сравнению со звездным населением своих хозяев», — говорит Роберто Майолино. , профессор Кембриджского университета (Великобритания) и соавтор исследования. «С помощью JWST можно будет точно определить, как образовались первые сверхмассивные черные дыры, обнаружив черные дыры, которые расположены дальше и меньше тех, что были обнаружены до сих пор, и которых, по прогнозам нашего исследования, довольно много».
Для исследования Пауччи и его коллеги провели статистический анализ набора из 21 галактики на расстоянии от 12 до 13 миллиардов световых лет и наблюдали с помощью трех опубликованных обзоров JWST.
Эти 21 галактика содержат центральные черные дыры с типичными массами, которые, по оценкам, в десятки или сотни миллионов раз превышают массу нашего Солнца. Они все еще сверхмассивны, но сравнительно ничтожны по сравнению с черными дырами, питающими большинство наблюдаемых на сегодняшний день далеких квазаров, которые могут похвастаться миллиардами раз больше массы Солнца.
«В целом мы видим, что черные дыры в молодых галактиках, наблюдаемых JWST, примерно в десять-сто раз массивнее, чем предсказывает масштабное соотношение в локальной вселенной», — говорит Сяохуэй Фань, профессор Университета Аризоны и соавтор исследования. автор исследования. «Отношение звездной массы к массе черной дыры в ранних галактиках тогда, более дюжины миллиардов лет назад, было намного ниже, чем сейчас. Этот результат имеет важные последствия для изучения первой популяции черных дыр».
Точная оценка этого соотношения должна помочь понять, как возникли сверхмассивные предшественники черных дыр, получившие название «семена черных дыр». В целом астрономы наметили два основных пути: «легкие» и «тяжелые» семена.
Легкие семена черной дыры должны были иметь относительно небольшую массу, примерно в 100–1000 раз больше массы Солнца. Эти семена света могли образоваться как остатки самых первых колоссальных звезд Вселенной. На другом конце зародыши тяжелых черных дыр должны были иметь массу от 10 000 до 100 000 солнечных. Такие огромные семена теоретически возникли в результате прямого гравитационного коллапса титанических газовых облаков.
Путь тяжелых семян, подготавливая почву для роста с гораздо более высокой начальной точки, должен способствовать своевременному образованию очень ранних сверхмассивных черных дыр, которые группа исследователей обнаружила за последние двадцать лет на все больших расстояниях. Новые открытия о сверхмассивных черных дырах подтверждают идею тяжелого затравки, поскольку моделирование и теоретические расчеты этого пути предсказывают, что черные дыры должны быть примерно такими же или даже более массивными, чем звездный компонент молодых галактик, в которых они живут.
Как галактики затем сформировались и одновременно эволюционировали вокруг зародышей первобытных черных дыр, остается широко открытым астрофизическим вопросом. Черные дыры росли в основном за счет притяжения газа или за счет слияния с другими черными дырами? И накапливалась ли звездная масса в основном внутри галактики, или требовалось слияние с другими, более крупными галактиками? Пачуччи и его команда ожидают, что ответы начнут материализоваться благодаря дополнительным исследованиям JWST.
«За космическое время мы знаем, что соотношение масс звезды и черной дыры постепенно приближается к локальному соотношению 1000 к 1 в современной Вселенной. Это происходит по мере того, как черная дыра и ее родительская галактическая система развиваются вместе, сливаясь с другими галактиками и формируя легионы звезд», — говорит Пауччи. «Мы все еще работаем над тем, чтобы заглянуть во вселенную достаточно глубоко, чтобы понять, как все это началось».
Помимо Сяохуи Фаня и Роберто Майолино, соавторами статьи являются Бао Нгуен из Университета Аризоны и Стефано Карниани из Scuola Normale Superiore в Пизе, Италия. В качестве обзоров JWST использовались расширенный глубокий внегалактический обзор JWST (JADES), научный обзор ранней космической эволюции (CEERS) и обзор Galaxy Assembly с обзором NIRSpec IFS (GA-NIFS).
Информация от: Гарвард-Смитсоновским центром астрофизики.
