Сверхмассивная чёрная дыра в 40 миллионов раз массивнее Солнца — источник энергии квазара, появившегося всего через 700 миллионов лет после Большого взрыва.
С помощью космического телескопа имени Джеймса Уэбба астрономы обнаружили «чрезвычайно красную» сверхмассивную чёрную дыру, растущую в ранней, довольно тёмной ещё Вселенной.
Красный оттенок сверхмассивной чёрной дыры, которую мы видим примерно через 700 миллионов лет после Большого взрыва, является результатом расширения Вселенной. Когда Вселенная расширяется во всех направлениях, свет, идущий к нам, «краснеет», и в данном случае красное смещение света указывает на пелену из плотного газа и пыли, окутывающую чёрную дыру.
Изучив данные «Уэбба», команда астрономов под руководством Лукаса Фуртака и Ади Зитрина из Университета Бен-Гуриона в Негеве смогла определить массу сверхмассивной чёрной дыры. Её масса примерно в 40 миллионов раз превышает массу Солнца, что делает её неожиданно массивной по сравнению с галактикой, в которой она обитает.
Команда также обнаружила, что сверхмассивная чёрная дыра, расположенная на расстоянии около 12,9 миллиарда световых лет от Земли, быстро пожирает газ и пыль вокруг себя. Другими словами, она растёт.
«Мы были очень взволнованы, когда "Уэбб" начал присылать свои первые данные. Мы сканировали данные, поступившие для программы UNCOVER, и три очень компактных, и при этом красных объекта заметно выделялись и привлекли наше внимание, — сказал Фуртак в своём заявлении. — Эти красные точки сразу же заставили нас заподозрить, что это квазароподобный объект».
Три красные точки
Квазары образуются, когда огромное количество материи окружает сверхмассивные чёрные дыры, подобные этой. Эта материя образует диск из газа и пыли, называемый аккреционным диском, который постепенно питает чёрную дыру. Огромное гравитационное воздействие чёрной дыры перемешивает эту материю, создавая сильную температуру и заставляя её светиться.
Кроме того, вещество, которое не попадает в сверхмассивную чёрную дыру, направляется к полюсам космического титана. Частицы в этих областях ускоряются почти до значения скорости света и превращаются в высоко коллимированные струи. Когда эти релятивистские струи вырываются наружу, процесс сопровождается ярким электромагнитным излучением.
В результате этих явлений квазары, порождённые сверхмассивными чёрными дырами в активных галактических ядрах, часто бывают настолько яркими, что излучаемый ими свет зачастую затмевает суммарный свет всех звёзд в окружающей их галактике.
Огромное количество излучения, испускаемого из окрестностей этой сверхмассивной чёрной дыры, привело к тому, что в данных «Уэбба» она приобрела вид маленькой точки.
«Анализ цветов объекта показал, что это не типичная звездообразующая галактика. Это ещё больше подтвердило гипотезу о сверхмассивной чёрной дыре, — говорится в заявлении Рейчел Безансон из Питтсбургского университета и одного из руководителей программы UNCOVER. — Судя по компактным размерам, это, скорее всего, сверхмассивная чёрная дыра, хотя она всё ещё отличалась от других квазаров, обнаруженных в те ранние времена».
Ранний квазар не был бы виден даже мощному инфракрасному глазу «Уэбба» без небольшой помощи от эффекта, предсказанного Альбертом Эйнштейном в 1915 году.
Эйнштейновская линза
Общая теория относительности Эйнштейна предполагает, что объекты с массой искривляют саму ткань пространства-времени. Теория гласит, что гравитация возникает в результате этого искривления. Чем больше масса объекта, тем сильнее искривлено пространство-время.
Таким образом, эта кривизна не только указывает планетам, как двигаться вокруг звёзд и звёздам, как двигаться вокруг центров их родных галактик, но и изменяет пути света, исходящего от этих звёзд.
Чем ближе этот свет подходит к массивному объекту, тем сильнее «искривляется» его путь. Таким образом, различные пути света от одного фонового объекта могут быть искривлены объектом на переднем плане, или «линзирующим объектом», и изменить видимое местоположение фонового объекта. Иногда этот эффект может даже привести к тому, что фоновый объект появится в нескольких местах на одном и том же изображении неба. В других случаях свет от фонового объекта просто усиливается, и этот объект увеличивается.
Это явление известно как «гравитационное линзирование».
В данном случае «Уэбб» использовал скопление галактик под названием Abell 2744 в качестве линзирующего тела на переднем фоне, чтобы усилить свет от фоновых галактик, которые иначе были слишком далеки для наблюдения. Это позволило обнаружить чрезвычайно красный квазар – именно этот объект астрономы пристально разглядывали, увидев сначала три красные точки.
«Мы использовали численную модель линзирования, которую построили для скопления галактик, чтобы понять, что три красные точки должны быть несколькими изображениями одного и того же фонового источника, видимого уже тогда, когда Вселенной было всего около 700 миллионов лет», — говорит Зитрин.
Дальнейший анализ фонового источника показал, что его свет должен был исходить из небольшого региона.
«Весь свет этой галактики должен поместиться в крошечной области размером с современное звёздное скопление. Увеличение источника с помощью гравитационного линзирования дало нам чёткие ограничения на его размер, — говорит член команды и исследователь Принстонского университета Дженни Грин в своём заявлении. — Даже если поместить все возможные звёзды в такую маленькую область, чёрная дыра в итоге составит не менее 1% от общей массы системы».
Это открытие ещё больше усугубляет загадку того, как сверхмассивные чёрные дыры, которые могут быть в миллионы (или даже миллиарды) раз массивнее Солнца, выросли до таких огромных размеров в период становления Вселенной.
«Сейчас обнаружено несколько других сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной, которые демонстрируют подобное поведение, что наводит на интригующие мысли о росте чёрной дыры и галактики-хозяина, а также о взаимодействии между ними, которое не очень хорошо изучено», — сказала Грин.
С течением времени Уэбб обнаружил множество «маленьких красных точек». Они также могут указывать на питание квазаров сверхмассивными чёрными дырами в ранней Вселенной, а значит, поразительная загадка роста чёрных дыр может быть вскоре решена.
«В каком-то смысле это астрофизический эквивалент проблемы курицы и яйца, — заключил Цитрин. — В настоящее время мы не знаем, что появилось первым: галактика или чёрная дыра — насколько массивными были первые чёрные дыры и как они росли».
Исследование команды было опубликовано 14 февраля в журнале Nature.
