В последние десятилетия становится все более очевидным, что массивные галактики, такие как наш Млечный Путь, содержат в своих центрах сверхмассивные черные дыры (СМЧД). Как они стали такими массивными и как повлияли на окружающую среду, являются активными вопросами астрономии. Астрономы, работающие с космическим телескопом Джеймса Уэбба, обнаружили в ранней Вселенной СМЧД, масса которой увеличивается очень медленно, хотя черная дыра чрезвычайно массивна по сравнению с ее родительской галактикой.
Что происходит с этой сверхмассивной черной дырой и что она говорит астрономам о росте этих гигантских черных дыр?
Черная дыра, названная GN-1001830, была обнаружена в рамках JADES (JWST Advanced Deep Extragalactic Survey). Это одна из самых массивных сверхмассивных чёрных дыр, обнаруженных JWST в ранней Вселенной. Хотя большинство сегодняшних СМЧД составляют около 0,1% массы родительских галактик, на эту приходится около 40% массы родительской галактики.
Самое загадочное, что GN-1001830 потребляет газ, необходимый для роста, очень медленно и по существу неактивен. Требуется ли перерыв? Были ли в прошлом ускоренные скачки роста?
Результаты содержатся в новом исследовании, опубликованном в журнале Nature под названием «Спящая сверхмассивная черная дыра в ранней Вселенной». Основной автор – Игнас Юоджбалис. Юоджбалис — аспирант Института космологии Кавли Кембриджского университета.
«Ранняя Вселенная сумела породить некоторых абсолютных монстров даже в относительно небольших галактиках».
Игнас Юоджбалис, Институт космологии Кавли, Кембриджский университет
JWST обнаружил множество СМЧД всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Некоторые из них сверхмассивны, но неактивны, например GN-1001830. Чтобы объяснить их, исследователи разработали несколько различных моделей.
Одной из моделей является модель «тяжелого зерна», в которой первичные газовые облака коллапсировали непосредственно в черные дыры, которые развились в сверхмассивные черные дыры. Другая модель предлагает легкие семена, которые испытывают сильные всплески роста. Обе модели перспективны, но уверенности нет. «Однако текущие наборы данных не позволяют различить эти разные сценарии», — пишут Юоджбалис и его соавторы в своей исследовательской статье.
Эти, казалось бы, спящие сверхмассивные черные дыры проверяют понимание астрофизиками процессов формирования и роста сверхмассивных черных дыр. Они, вероятно, пройдут через всплески роста и будут отдыхать между этими всплесками роста. Одна из проблем заключается в том, что очень сложно обнаружить СМЧД, которая не активно накапливает газ. Они видны во время аккреции, потому что аккреционный диск нагревается и излучает свет.
Этот объект был обнаружен только потому, что он такой огромный.
«Хотя эта черная дыра неактивна, ее огромные размеры позволили нам ее обнаружить», — сказал ведущий автор Юоджбалис. «Его спячка также позволила нам узнать о массе родительской галактики. Ранняя Вселенная сумела породить некоторых абсолютных монстров даже в относительно небольших галактиках».
Предел Эддингтона (также известный как светимость Эддингтона) является важным фактором в росте СМЧД. Это теоретический верхний предел массы и светимости звездных объектов, который объясняет светимость, которую мы наблюдаем по мере аккреции черных дыр. Предел Эддингтона достигается, когда внешнее радиационное давление превышает силу гравитации объекта и он не может накопить больше материи. Объекты также могут превышать этот предел, и когда это происходит, это называется суперэддингтоновской аккрецией. Некоторые исследователи подозревают, что супер-эддингтоновская аккреция была более распространена в ранней Вселенной и что она объясняет не только эту сверхмассивную черную дыру, но и все другие массивные черные дыры, обнаруженные JWST на ранних стадиях Вселенной.
«Вполне возможно, что черные дыры «рождаются большими», что может объяснить, почему Уэбб обнаружил гигантские черные дыры в ранней Вселенной», — сказал соавтор профессор Роберто Майолино из Института Кавли и Кавендишской лаборатории в Кембридже. «Но есть и другая возможность: они переживают периоды гиперактивности, за которыми следуют длительные периоды спокойствия».
«Вполне вероятно, что подавляющее большинство черных дыр находятся в этом спящем состоянии».
Профессор Роберто Майолино, Институт Кавли и Кавендишская лаборатория в Кембридже
Исследование основано на обнаружении широких выбросов H-альфа от СМЧД. Эти выбросы показали, что сверхмассивная черная дыра имела предполагаемую массу около 4 × 10? (40 миллионов) солнечных масс. Это чрезвычайно массивно для объекта, произошедшего всего лишь примерно через 800 миллионов лет после Большого взрыва. Для сравнения, Стрелец А*, СМЧД в Млечном Пути, имеет предполагаемую массу около 4,3 миллиона солнечных масс.
Рассматриваемая сверхмассивная чёрная дыра является одним из самых крупных объектов, обнаруженных JWST. Ее масса составляет почти 50% звездной массы родительской галактики. Это примерно в 1000 раз массивнее местных галактик.
Для изучения проблемы исследователи провели компьютерное моделирование. Их исследования показывают, что периоды гиперактивности SMBH, вероятно, превышают предел Эддингтона. Длительные периоды покоя и бездействия СМЧД могут длиться 100 миллионов лет, со скоростью аккреции всего в 0,02 раза превышающей предел Эддингтона, и перемежаются эпизодами суперэддингтоновской аккреции, продолжающимися от пяти до десяти миллионов лет.
«Звучит нелогично объяснять спящую черную дыру периодами гиперактивности, но эти короткие всплески позволяют ей быстро расти, пока она большую часть времени спит», — сказал Майолино.
Поскольку эти СМЧД проводят гораздо больше времени в спящем состоянии, чем в активном, вероятность их обнаружения в спящем состоянии выше. Однако их гораздо труднее обнаружить, когда они не активно аккрецируют и не излучают радиацию из своих аккреционных колец. Это одна из причин, почему это открытие так ценно.
Эти результаты не зависят от того, тяжелые или легкие семена. Вместо этого речь идет об эпизодах супер Эддингтона. «Заманчиво предположить, что наш результат благоприятствует моделям с легкими семенами. Однако тот же результат был бы применим и в том случае, если бы модели стартовали с тяжелыми семенами. Ключевой особенностью, которая позволяет адаптировать свойства GN-1001830, является тот факт, что аккреция проходит фазы Супер-Эддингтона независимо от механизма затравки», — объясняют авторы.
«Это был первый результат, которого я достиг в рамках своего докторского исследования, и мне потребовалось некоторое время, чтобы осознать, насколько он замечательный», — сказал Юоджбалис. «Только когда я начал говорить со своими коллегами о теоретической стороне астрономии, я смог увидеть истинное значение этой черной дыры».
«Вполне вероятно, что подавляющее большинство черных дыр находятся в этом спящем состоянии — я удивлен, что мы нашли эту, — но я рад, что мы смогли найти гораздо больше», — сказал Майолино.
