Одно из явлений, которое астрономы обнаруживают при изучении галактик, — это корреляция между массой галактики и массой её сверхмассивной чёрной дыры в центре. Вопреки распространённому мнению, эти сверхмассивные чёрные дыры (СЧД) не содержат основную часть массы своих галактик; они составляют лишь небольшую часть всей массы. В местных галактиках соотношение массы сверхмассивной чёрной дыры к массе галактики составляет около 0,1–0,5 %.
Но «Уэбб» опровергает это представление. Его глубокие инфракрасные наблюдения показали, что галактики в ранней Вселенной могут похвастаться гораздо более массивными СЧД, что ставит под сомнение наше понимание процесса роста галактик. Проще говоря, согласно нашему пониманию, эти галактики не должны были иметь таких огромных чёрных дыр на столь раннем этапе жизни Вселенной.
Теперь в ходе нового исследования, основанного по большей части на данных «Уэбба», была обнаружена пара карликовых галактик, в которых, по-видимому, находятся сверхмассивные чёрные дыры, нарушающие общепринятые представления. Это не первые карликовые галактики с такими массивными чёрными дырами, но они отличаются от многих других. Они не столь древние и находятся в области промежуточных красных смещений.
Исследование озаглавлено «“Уэбб” обнаруживает две потенциальные сверхмассивные чёрные дыры в карликовых галактиках при z≈0,7: расширение поисков чёрных дыр на область карликовых галактик». Ведущим автором является Эдуардо Иани, аспирант Австрийского института науки и технологий. Исследование было представлено в журнал Astronomy and Astrophysics и доступно в виде препринта на сайте arxiv.org.
«Мы сообщаем об открытии и характеристике двух компактных галактик, Пелия и Нелея, при z ~ 0,71 и z ~ 0,75, — пишут исследователи. — Обе демонстрируют необычные спектральные распределения энергии, с очень синим излучением в ультрафиолетово-оптическом диапазоне в системе отсчёта покоя и крутым подъёмом в ближнем и среднем инфракрасном диапазонах».
В наблюдениях этой пары галактик есть несоответствие. В ультрафиолетово-оптическом диапазоне, который может наблюдать инструмент «Уэбба» NIRISS/NIRSpec, галактики выглядят как первозданные звёздные галактики с низкой массой. Это означает, что они очень голубые, имеют низкий уровень пыли и молодые звёзды, которые ионизируют своё окружение.
Однако в данных наблюдений инструмента MIRI они выглядят иначе. Эти данные показывают избыток излучения в среднем инфракрасном диапазоне, который не удаётся объяснить только звёздной массой галактик. Единственное другое объяснение заключается в том, что там находится активное ядро галактики (АЯГ), погружённое в пыль. «Фотометрия “Уэбба”/MIRI показывает сильный избыток среднего инфракрасного излучения, который нельзя объяснить только звёздными популяциями или пылью, нагреваемой звездообразованием, что требует наличия компонента горячей пыли, наиболее естественно связанного с глубоко погружённым активным ядром галактики», — объясняют авторы.
Центральные чёрные дыры в обеих галактиках составляют до 60 % от массы галактики, хотя это верхний предел оценок исследователей. Это ошеломляющая цифра. Это показывает, что даже в галактиках со средним красным смещением могут встречаться чёрные дыры с чрезвычайно большой массой. Возможно, это связано с тем, что они сформировались раньше, чем образовалось достаточное количество звёзд для накопления звёздной массы галактик.
Но это ещё не всё. АЯГ обычно излучают рентгеновские лучи, но в данном случае их обнаружить не удалось. «Отсутствие обнаружений рентгеновского излучения предполагает, что аккреция может быть либо сильно заслонена, либо по своей природе слаба в рентгеновском диапазоне», — пишут исследователи. Это может быть связано с аккрецией, превышающей предел Эддингтона. Хотя чёрные дыры в Пелии и Нелее имеют большую массу по отношению к своим галактикам, их отдельные массы довольно низкие, и это согласуется с аккрецией, превышающей предел Эддингтона.
Это одни из самых маленьких галактик с активными ядрами из когда-либо обнаруженных. «Расчётные звёздные массы ставят наши объекты в число самых маломассивных подтверждённых галактик-хозяев АЯГ и в крайне маломассивный хвост карликовых галактик-кандидатов в хозяева АЯГ, собранных в недавних исследованиях», — пишут авторы.
По мнению Иани и его коллег, только аккреция с превышением предела Эддингтона может объяснить существование этих галактик. «Считается, что фазы с превышением предела Эддингтона способствуют быстрому росту чёрных дыр на ранних этапах, особенно в галактиках с малой массой», — поясняют они. Но они также поясняют, что «систематические погрешности в оценках массы чёрных дыр при экстраполяции локальных масштабных соотношений на карликовые галактики» могут выглядеть как аккреция, превышающая предел Эддингтона, даже если это на самом деле не так.
Авторы также исследуют возможную связь между этой парой карликовых галактик и знаменитыми «Маленькими красными точками» из-за сходства их спектральных распределений энергии. «Форма спектральных энергетических распределений, наблюдаемых в наших объектах, также побуждает к сравнению с недавно идентифицированным классом маленьких красных точек (МКТ)», — пишут они. Эта пара карликовых галактик может быть аналогом МКТ с меньшим красным смещением, в которых АЯГ, погружённое в плотную пыль, доминирует в излучаемом свете, пока галактика ещё находится в стадии формирования.
«В целом, Пелий и Нелей демонстрируют, что быстрый рост чёрной дыры, окутанной пылью, может происходить в галактиках со звёздной массой всего около 107 масс Солнца», — объясняют авторы. Этот вывод дополняет другие работы, сделанные по данным «Уэбба», и показывающие, что массивные чёрные дыры вырастали до гораздо больших размеров, чем астрофизики считали возможным, не только в древнейших галактиках, но и в карликовых галактиках с более промежуточными красными смещениями.
Как и в большинстве случаев в астрономии, следующим шагом станет поиск новых экземпляров таких карликовых галактик и их тщательное изучение. Это потребует напряжённой работы рентгеновских телескопов, таких как «Чандра» и будущая миссия «Афина». Свою роль также сыграют наблюдения с помощью инструмента «Уэбба» MIRI и радионаблюдения с помощью телескопа ALMA. В конечном итоге исследователям необходимо выяснить, насколько распространены карликовые галактики типа Пелий и Нелей.
«В более долгосрочной перспективе такие объекты, как космический телескоп “Нэнси Роман” и обсерватории класса ELT, позволят проводить систематический поиск подобных маломассивных заслонённых АЯГ и определять их внутреннюю структуру, что станет важной проверкой того, является ли описанная здесь фаза аккреции общим путём в эволюции карликовых галактик», — заключают исследователи.
