Ранняя Вселенная — загадочное и во многих отношениях до сих пор неизведанное место. Первый миллиард лет космической истории стал свидетелем взрывного создания звезд и роста первых галактик. Это также время, когда самые ранние известные черные дыры, по-видимому, быстро росли до огромных размеров. Астрономы хотят знать, как они росли и почему они питаются больше как «нормальные» недавние сверхмассивные черные дыры (СМЧД).
Сегодня мы видим сверхмассивные черные дыры в галактиках, которые могут иметь более миллионов или миллиардов солнечных масс, изолированных. Астрономы, естественно, предположили, что для создания таких монстров требуется много времени. Например, миллиарды лет. Поэтому, когда JWST наблюдал самый далекий квазар J1120+0641, они ожидали увидеть активное галактическое ядро, каким оно выглядело примерно через 770 миллионов лет после Большого взрыва. То есть они ожидали увидеть все еще растущую центральную сверхмассивную черную дыру. Они были заинтригованы, обнаружив, что его масса составляет не менее миллиарда солнц.
Это подняло вопрос: как такая ранняя сверхмассивная чёрная дыра могла стать такой большой так быстро? Для чего-то столь молодого наличие такой массы говорит кое-что о его питающем механизме. Астрономы уже знают, что сверхмассивная чёрная дыра существовала на ранних этапах космического времени. Эти структуры в сердцевине тех далёких квазаров, по-видимому, уже существовали, когда Вселенная была очень молодой — около 5% от её нынешнего возраста.
Теория против наблюдений: как образуются сверхмассивные черные дыры?
Рост сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной — горячая тема в наши дни. Долгое время общепринятой идеей было то, что они росли медленно за счёт слияний и поглощений во время формирования галактик. Поскольку эти слияния занимают много времени — миллионы лет, по крайней мере — казалось, что чёрные дыры будут продолжать свой долгий и медленный путь. И вы не можете слишком ускорить рост чёрной дыры после того, как она образовалась. Когда материя закручивается в чёрную дыру, она делает это через аккреционный диск, который её питает. Диск — активное ядро галактики — очень яркий из-за излучения, испускаемого при нагревании материи за счёт трения и взаимодействия магнитного поля. Давление света отталкивает вещи. Это ограничивает скорость, с которой чёрная дыра может поглощать. Тем не менее, астрономы обнаружили, что эти ранние сверхмассивные чёрные дыры имеют 10 миллиардов солнечных масс, хотя, согласно общепринятому мнению, они должны были быть менее массивными.
Для J1120+0641 астрономы рассматривали различные сценарии его роста, включая так называемый «ультраэффективный режим питания». Это означает, что ранние сверхмассивные черные дыры имели какой-то очень эффективный способ аккреции газа, пыли и другого материала. Поэтому астрономы более подробно рассмотрели эти активные галактические ядра в сердцах далеких квазаров с помощью JWST. Он оснащен спектрографом MIRI, который очень подробно изучает свет от этих квазаров. Спектры MIRI J1120+0641 выявили наличие большого пылевого тора (кольца в форме бублика), окружающего аккреционный диск сверхмассивной черной дыры. Этот диск питает сверхмассивную черную дыру с очень «нормальной» скоростью, аналогичной сверхмассивной черной дыре в «современной» Вселенной. Широкая область линий квазара, где сгустки газа вращаются вокруг черной дыры со скоростью, близкой к скорости света, также выглядит нормальной.
В конечном счете
Почти по всем свойствам, которые можно вывести из спектра, J1120+0641 оказывается питающимся не иначе, чем квазары в более поздние времена. Итак, что это значит для теорий образования СМЧД в ранней Вселенной? По словам Сары Босман, возглавлявшей команду, которая использовала JWST для изучения этого и других квазаров, наблюдения исключают быстрое питание и другие объяснения того, почему СМЧД такая массивная. «В целом, новые наблюдения только добавляют загадочности: ранние квазары были шокирующе нормальными. Независимо от того, на каких длинах волн мы их наблюдаем, квазары практически одинаковы во все эпохи Вселенной», — сказала она.
Если экстраполировать эти наблюдения на другие идеи о ранних сверхмассивных чёрных дырах, это означает, что процесс роста чёрных дыр был в значительной степени установлен на ранних этапах космической истории. Они не начинались как черные дыры звездной массы, которые стали большими. Вместо этого они образовались в результате коллапса очень массивных ранних облаков газа и превратились в массивные первичные семена. Оттуда они не только питались за счет своих аккреционных дисков, но, вероятно, стали еще более массивными благодаря этим слияниям и поглощениям. Однако благодаря JWST астрономы теперь знают, что ранние механизмы питания уже существовали очень рано в космическом времени. Теперь им просто нужно выяснить, когда в молодой Вселенной впервые появились первичные семена СМЧД.
Для дополнительной информации
Черная дыра необъяснимой массы
Зрелый квазар на космической заре обнаружен с помощью инфракрасной спектроскопии в режиме покоя телескопа JWST
Первый инфракрасный спектр квазара Z > 7 в неподвижном кадре: наблюдения J1120+0641 с помощью JWST/MRS
