Ученые нашли гигантскую черную дыру, примерно в 9 млн раз тяжелее нашего Солнца, уже бывшую во Вселенной в ранний период ее существования. Обнаруженная космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST), она уже сформировалась в центре галактики всего ничего, по астрономическим меркам, после Большого взрыва, через каких-то 570 млн лет.
Это открытие и другие подобные, которые, по словам исследователей, скорее всего, появятся в ближайшее время могут однажды помочь разгадать тайну того, как эти монстры могли появиться так рано в космической истории. На протяжении десятилетий ученые обнаружили два типа черных дыр: черные дыры звездной массы и сверхмассивные черные дыры. Черные дыры звездной массы обычно в пять-десять раз больше массы Солнца и, как считается, возникают, когда гигантские звезды умирают и коллапсируют сами по себе, а затем взрываются сверхновыми и оставляют после себя черные дыры. С другой стороны, сверхмассивные черные дыры в миллионы и миллиарды раз превышают массу Солнца и образуют сердца большинства, если не всех, крупных галактик.
Естественно предположить, что сверхмассивные черные дыры родились из черных дыр звездной массы, которые пожирали всё вокруг, пока не стали огромными. Однако астрономы обнаружили черные дыры, масса которых более чем в миллиард раз превышает массу Солнца, менее чем через миллиард лет после Большого взрыва, говорит Стивен Финкельштейн, астрофизик из Техасского университета в Остине. Остается загадкой, как они могли раздуться до таких огромных размеров за такое короткое время.
«Это одна из главных проблем современной астрономии», говорит Масафуса Оноуэ, астроном из Института астрономии и астрофизики им. Кавли при Пекинском университете.
Чтобы решить эту загадку, ученые всматриваются в свет из давней истории Вселенной, насчитывающей 13,7 миллиардов лет. После такого долгого путешествия пыль может заслонить большую часть этого света, делая эти ранние черные дыры необычайно слабыми.
Новооткрытая черная дыра, обнаруженная в галактике, получившей название CEERS 1019, была обнаружена в рамках глубокого галактического исследования, известного как Наука раннего выпуска космической эволюции (CEERS). Наряду с двумя другими ранними сверхмассивными черными дырами, об этом объекте недавно сообщалось в статье, которая была принята к публикации в Astrophysical Journal Letters.
Когда свет движется от далеких галактик к Земле, он медленно искажается в сторону более длинных волн и смещается в сторону инфракрасной части спектра. Исследование CEERS проанализировало данные высокочувствительных инфракрасных инструментов JWST, чтобы обнаружить древние черные дыры, слишком тусклые для предыдущих телескопов.
Астрономы обнаружили черную дыру CEERS 1019, ища необычайно яркие галактические ядра. Предыдущие исследования показали, что эти так называемые активные галактические ядра (АЯГ), вероятно, являются черными дырами, которые высвобождают огромное количество энергии, когда материя падает на них или соединяется с ними.
Учитывая, насколько редкими, по мнению ученых, были ранние черные дыры, «для меня было настоящим сюрпризом, что наблюдения JWST в первый год обнаружили ряд активных черных дыр в течение первого миллиарда лет существования Вселенной», говорит Оноуэ, не принимавший участие в новом исследовании.
Черная дыра CEERS 1019 может быть не только самой ранней из обнаруженных до сих пор, но и самой маленькой из обнаруженных в ранней Вселенной. Масса большинства черных дыр, обнаруженных примерно в эту эпоху, превышает массу Солнца более чем в миллиард раз. Напротив, черная дыра CEERS 1019 больше похожа на черную дыру в центре нашей галактики Млечный Путь, масса которой всего в несколько миллионов раз больше солнечной.
«Считалось, что в ранних галактиках должны были существовать черные дыры с меньшей массой, но я не думал, что мы сможем найти их с помощью этих наблюдений», говорит Дейл Кочевски, член группы CEERS и астрофизик Колби-колледжа в Уотервилле, штат Мэн. «Самое удивительное для меня то, что JWST оказался более чувствительным, чем мы могли надеяться».
Обзор CEERS также обнаружил две другие черные дыры, которые существовали через один миллиард и 1,1 миллиарда лет после Большого взрыва в галактиках, CEERS 746 и CEERS 2782 соответственно. Это также относительные легковесы с массой около 10 миллионов солнечных.
Черную дыру CEERS 2782 было относительно легко обнаружить, так как не было пыли, закрывающей обзор JWST, в то время как яркий аккреционный диск, окружающий черную дыру CEERS 746, был частично затуманен пылью, что позволяет предположить, что он может находиться внутри галактики, которая также яростно выбрасывает звезды, объясняет Дейл Кочевски.
В CEERS 1019 команда обнаружила чрезвычайно быстро движущийся газ, который, по мнению ученых, может исходить только из области, окружающей сверхмассивную черную дыру. «Сигнатура быстро движущегося газа, которую мы видим, не очень сильна. Мы провели обширное моделирование, чтобы количественно оценить наши неопределенности, и пришли к 95-процентной уверенности в том, что мы обнаруживаем эту особенность», говорит Дейл Кочевски. «Будет довольно легко увеличить значимость этого сигнала с помощью будущих наблюдений».
Некоторые ученые подозревают, что сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной образовались в результате слияния более мелких составных частей, и эти новооткрытые объекты соответствуют этому предсказанию. Тем не менее, черная дыра CEERS 1019 уже достаточно велика, чтобы ее было трудно объяснить.
Одна из возможностей заключается в том, что семена сверхмассивных черных дыр родились в результате коллапса огромных газовых облаков, масса которых в 10 000 – 1 миллион раз превышает массу Солнца и которые существовали до появления галактик, говорит Финкельштейн, руководивший исследованием CEERS. Другая заключается в том, что они родились из сверхновых звезд-гигантов, масса которых примерно в 100 раз превышает массу Солнца, а затем росли с удивительно высокой скоростью.
«И тот, и другой случай говорят нам что-то, чего мы раньше не знали», говорит Дейл Кочевски. «Если первое верно, мы узнали кое-что о том, что было до галактик. Если второе верно, это говорит нам о том, что мы до сих пор не понимаем, как растут черные дыры».
Эти две модели предсказывают разное количество черных дыр, которые должны были существовать в течение первых 600 миллионов лет после Большого взрыва, говорит Золтан Хайман, астрофизик Колумбийского университета в Нью-Йорке, не принимавший участия в этом исследовании. Открытие большего числа может помочь решить загадку.
«Что интересно, так это то, что таких объектов определенно больше, и как увеличение размера выборки, так и переход к более ранним временам позволят нам понять, какая из этих теорий верна», говорит Финкельштейн.
Начали появляться и другие намеки на ранние черные дыры. Одна команда, возможно, идентифицировала AGN в галактике UHZ1, датируемой примерно 450 миллионами лет после Большого взрыва, в то время как JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES), возможно, обнаружила активное галактическое ядро в галактике GN-z11, датируемое примерно 430 миллионами лет назад, спустя годы после Большого взрыва, говорит Кевин Хейнлайн, астроном из Аризонского университета в Тусоне и член команды JADES.
«Эти рекорды долго не продержатся. И это хорошо!» говорит Хейнлайн. «Мы видим только начало нахождения огромного количества активно растущих сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной».
CEERS также неожиданно идентифицировал 11 удаленных галактик-кандидатов, которые существовали, когда Вселенной было от 470 до 675 миллионов лет. Ученые предположили, что JWST обнаружит меньше галактик на таких расстояниях. Новооткрытые галактики быстро формируют звезды и могут пролить свет на галактическую эволюцию на протяжении всей космической истории, говорят исследователи.
Любопытно, что все ранние сверхмассивные черные дыры, обнаруженные в ходе предыдущей работы, затмевали свои родительские галактики. Напротив, эти недавно обнаруженные легковесы были обнаружены в ранее обнаруженных галактиках, говорит Хейман. «Это означает, что по какой-то причине ситуация обратная – маленькие черные дыры тусклее, чем их галактики-хозяева, тогда как к тому времени, когда они эволюционируют в более крупные, они становятся намного ярче своих хозяев. Это требует, чтобы галактики-хозяева росли медленнее, чем черные дыры, и дает нам новое понимание эволюции этих объектов».
