Один из самых важных вопросов космологии заключается в том, когда черные дыры впервые появились в ранней Вселенной. Недавно астрономы обнаружили самую далекую (и, следовательно, самую раннюю) сверхмассивную черную дыру, которую когда-либо видели. Выглядит так же, как и тогда, когда Вселенной было всего 470 миллионов лет.
Эта чудовищная черная дыра действительно ярка в рентгеновских лучах, что сделало ее отличной целью для рентгеновской обсерватории Чандра. Кроме того, в инфракрасном свете она достаточно яркая, чтобы ее мог увидеть космический телескоп Джеймса Уэбба. «Нам нужен был Уэбб, чтобы найти эту удивительно далекую галактику, и Чандра, чтобы найти ее сверхмассивную черную дыру», — сказал Акос Богдан из Центра астрофизики в Гарварде. Богдан и его команда только что опубликовали статью о своих наблюдениях. «Мы также воспользовались преимуществами космического увеличительного стекла, которое увеличило количество обнаруженного нами света». По сути, астрономы получили свои данные через гравитационную линзу, а затем объединили данные обоих орбитальных телескопов, чтобы создать уникальный взгляд на черную дыру.
Черная дыра — это сердце квазара — активной галактики под названием UHZ1. Его свет усиливается при прохождении через близлежащее скопление галактик Abell 2744. Этот свет покинул квазар, когда возраст Вселенной составлял всего 3 процента от ее нынешнего возраста. Уэбб заметил это благодаря слабым инфракрасным сигналам активности, окружающей черную дыру. Чандра наблюдала за ней две недели и обнаружила огромное количество рентгеновского излучения от перегретого газа в галактике. Это указало им на то, что черная дыра быстро поглощает материал вокруг себя.
Квазары с черными дырами в зарождающейся Вселенной
Квазары в ранней Вселенной многое говорят нам об условиях после Большого взрыва. В частности, они открывают окно в вопрос образования черных дыр. Не совсем понятно, как некоторые сверхмассивные черные дыры так быстро стали такими массивными после Большого взрыва. Во-первых, надо понять, как они образовались. Были ли они рождены в результате коллапса массивных газовых облаков, создавшего черные дыры массой до 100 000 солнечных? Или же всему виной были взрывы первых сверхмассивных звезд? Если бы это было так, масса этих черных дыр составляла бы всего от 10 до 100 солнечных масс. Понимание сценария формирования помогает астрономам понять условия того времени.
«Существуют физические ограничения на то, как быстро черные дыры могут расти после того, как сформировались, но те, которые рождаются более массивными, имеют преимущество. Это похоже на посадку саженца, которому требуется меньше времени, чтобы вырасти в полноразмерное дерево, чем если бы вы начали с одного только семени», — сказал соавтор статьи Энди Гулдинг из Принстонского университета.
Хороший сценарий формирования
Для этой конкретной черной дыры первый сценарий, кажется, объясняет, как она образовалась. По его массе — от 10 до 100 миллионов солнечных — можно сказать, что его создало падение массивного газового облака. Яркость и интенсивность рентгеновских лучей, обнаруженных Чандрой, говорят об этом. Кроме того, масса черной дыры примерно равна массе всех звезд в ее родительской галактике. Авторы статьи называют ее «негабаритной черной дырой».
«Мы думаем, что это первое обнаружение «негабаритной черной дыры» и лучшее из когда-либо полученных доказательств того, что некоторые черные дыры образуются из массивных облаков газа», — сказал Пиямвада Натараджан из Йельского университета, чья работа в 2017 году предсказала появление такого объекта. «Впервые мы наблюдаем короткую стадию, когда сверхмассивная черная дыра весит примерно столько же, сколько звезды в ее галактике, прежде чем она отстанет».
Черные дыры в ранние эпохи
В своей статье авторы этого открытия отмечают, что квазары со сверхмассивными черными дырами, подобные той, что находится в UHZ1, существовали задолго до 700 миллионов лет после Большого взрыва. Итак, они существовали, но их происхождение остается загадкой. Поиск «зародышей» этих объектов требует изучения многих из этих галактик с огромных расстояний. К тому времени, когда их свет достигает нас, он сильно смещён в красную сторону. Вот почему Уэббу необходимо обнаружить многие из этих галактик. Как только это будет сделано, выяснение рентгеновского излучения поможет рассказать остальную часть истории.
Конечно, авторам пришлось различать активные области звездообразования и образование черных дыр в этих далеких галактиках. Им также нужно было убедиться, что он не исходит из каких-либо внутрикластерных газовых регионов промежуточного скопления Abell 2744. После всего анализа остается вывод о том, что эти ранние массивные черные дыры родились, когда массивные «семена» (облака газа) объединились за очень короткий период времени после Большого взрыва.
По мере того, как JWST находит больше ранних галактик в молодой Вселенной, обязательно появится больше этих «негабаритных черных дыр». Их существование и условия вокруг них должны помочь укрепить теорию, лежащую в основе «семен» черных дыр в ранних газовых облаках.
Для дополнительной информации
Телескопы НАСА обнаружили рекордную черную дыру
Доказательства тяжелого происхождения ранних сверхмассивных черных дыр из рентгеновского квазара az~10
РАСКРОЙТЕ: Рост первых массивных черных дыр по данным JWST/NIRSpec — спектроскопическое красное смещение, подтверждающее рентгеновское светящееся АЯГ в я = 10,1
