Голые чудовища: обнаружена чёрная дыра, перевешивающая свою галактику

Астрономы нашли самый экстремальный на сегодняшний день пример того, как чёрная дыра перевешивает собственную галактику. Это открытие может дать ключ к разгадке того, как сверхмассивные чёрные дыры, наблюдаемые сегодня, сформировались в ранней Вселенной.

В новом исследовании астрономы напрямую измерили массу чёрной дыры, находящейся внутри так называемой «маленькой красной точки», которую наблюдали, когда Вселенной было всего 700 миллионов лет. Результаты показывают, что чёрная дыра слишком массивна для своей宿主ной галактики — это означает, что она могла сформироваться до того, как сама галактика успела развиться.

«Маленькие красные точки» (МКТ) — загадочный класс объектов, обнаруженных в ранней Вселенной. Конкретная МКТ под названием Abell2744-QSO1 (или просто «QSO1») была обнаружена на снимках космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) в 2023 году. Она была компактной и сильно линзированной — её изображение появлялось три раза из-за искривления света мощными гравитационными эффектами — и демонстрировала явные признаки активно питающейся чёрной дыры в центре. Косвенные оценки массы чёрной дыры, основанные на спектральных свойствах, опирались на предположения, калиброванные по местной Вселенной, и вызывали ожесточённые споры. Некоторые исследователи утверждают, что маленькие красные точки настолько загадочны, что стандартные допущения, работающие в nearby Вселенной, не могут их объяснить, и здесь могут действовать экзотические явления.

В новом исследовании, опубликованном 27 мая в журнале Nature, астрономы применили более прямой подход и измерили, как быстро вращается газ на разных расстояниях от центра, чтобы оценить массу чёрной дыры. Полученные данные свидетельствуют о том, что методы, которые астрономы используют для изучения чёрных дыр в nearby Вселенной, могут столь же хорошо работать и для этих маленьких красных точек.

«Это измерение — первое в своём роде для „Маленькой красной точки“, по крайней мере на данный момент», — сообщил Live Science по электронной почте Игнас Юоджбалис, докторант Института космологии Кембриджского университета и первый автор исследования.

Когда «звёзды» сошлись

Более ранние косвенные оценки оценивали массу чёрной дыры QSO1 примерно в 40 миллионов масс Солнца — что невероятно много для такой компактной молодой системы. Чем крупнее и изолированнее чёрная дыра относительно своего окружения, тем больше её сфера влияния — область, где её гравитация доминирует над звёздами, газом и тёмной материей. Следовательно, массивная чёрная дыра позволяет легче обнаружить её гравитационное влияние на движения nearby газа.

Вдобавок скопление галактик Abell 2744, расположенное между нами и QSO1, настолько массивно, что его гравитация действует как увеличительное стекло. Благодаря этому эффекту, известному как гравитационное линзирование, астрономы видят QSO1 с увеличением яркости в шесть раз и пространственным растяжением в 3,5 раза.

Космический телескоп Джеймса Уэбба обнаружил десятки необычных «маленьких красных точек» в ранней Вселенной. Новое исследование показывает, что некоторые из них могут быть древними чёрными дырами, которые сформировались ещё до того, как вокруг них возникли галактики.

В совокупности эти условия благоприятствовали проведению того типа измерений, к которому стремились исследователи.

Метод измерения основывался на принципе: газ, вращающийся вокруг чёрной дыры, движется тем быстрее, чем ближе он к ней. Измеряя скорость движения газа на разных расстояниях от центра QSO1, команда могла рассчитать массу того, что находится в центре.

Исследователи использовали ближний инфракрасный спектрограф JWST, чтобы получить карты эмиссионных линий водорода, отслеживая, какие части QSO1 движутся к нам, а какие — от нас. Но объект был настолько мал и далёк, что сигнал вращения во внутренних областях оказался ниже разрешения JWST.

Поэтому они применили спектроастрометрию — метод, измеряющий крошечные позиционные сдвиги в свете, излучаемом светящимся газом на разных длинах волн. Этот метод позволяет получать пространственную информацию далеко за пределами номинального разрешения телескопа. «Таким образом, нам удалось восстановить кривую вращения ниже инструментального разрешения JWST», — пояснил Юоджбалис.

Не слишком экзотично

Затем полученные результаты были сопоставлены с различными моделями распределения массы. Точечная масса, когда вся масса сконцентрирована в одном месте (как у чёрной дыры), хорошо соответствовала данным, в то время как компактное, но протяжённое распределение массы (например, плотное скопление звёзд) подходило плохо. В качестве независимой проверки соавтор Козимо Маркончини, докторант по астрономии и физике Флорентийского университета, пропустил полный набор данных через разработанную им 3D-модель, которая учитывает как движение газа, так и инструментальные эффекты телескопа, и получил тот же результат. Юоджбалис отметил, что именно независимое подтверждение придало результату вес.

Анализ показал, что наблюдения лучше всего объясняются чёрной дырой массой около 50 миллионов солнечных масс. Команда «умеренно уверена», что это действительно чёрная дыра, а не другие альтернативы. Юоджбалис пояснил: если бы вы попытались объяснить их результаты звёздным скоплением с чёткими границами, это было бы гораздо более экзотично и сложно обосновать, чем чёрная дыра.

Интересно, что новое измерение почти совпало с более ранней косвенной оценкой. Юоджбалис предупредил, что один объект не представляет всю популяцию. Однако результат показывает, что стандартные косвенные измерения массы чёрных дыр, разработанные для местной Вселенной, могут работать и для маленьких красных точек. «Возможно, нет необходимости привлекать что-то слишком экзотическое для объяснения свойств Маленьких красных точек», — сказал он.

«Голая» чёрная дыра

Команда установила верхний предел массы звёзд в宿主ной галактике примерно в 20 миллионов солнечных масс. Это означает, что чёрная дыра значительно перевешивает всю свою галактику. Астрономы называют такие объекты «голыми» чёрными дырами, и QSO1, по-видимому, является самой массивной из когда-либо найденных.

Имея массивную чёрную дыру и почти отсутствующую宿主ную галактику, QSO1 выглядит как массивное семя чёрной дыры, пойманное на самых первых этапах роста, до того, как вокруг него успела развиться галактика. Это открытие бросает вызов стандартной картине, в которой чёрные дыры растут вместе со своей галактикой на протяжении миллиардов лет.

Команда рассмотрела два экзотических сценария происхождения этой чёрной дыры: чёрные дыры прямого коллапса (когда массивные облака первичного газа коллапсируют прямо в чёрную дыру, минуя стадию звёзд) и первичные чёрные дыры, которые могли сформироваться в первую секунду после Большого взрыва.

«Оба сценария экзотичны, и текущие данные и теория пока не позволяют их различить», — отметил Юоджбалис.

В планах команды — использовать будущие наземные наблюдения для изучения чёрных дыр внутри аналогичных объектов, найденных в nearby Вселенной.

Это открытие ставит перед астрофизиками сразу несколько фундаментальных вопросов. Если «голые» чёрные дыры были обычным явлением в ранней Вселенной, то современные модели формирования галактик необходимо кардинально пересмотреть. Возможно, сверхмассивные чёрные дыры не всегда растут в тандеме со звёздным населением своих галактик — в некоторых случаях они выступают в роли «первенцев», создавая гравитационный каркас для будущих звёздных систем.

Дальнейшие наблюдения JWST за другими «маленькими красными точками» позволят понять, насколько QSO1 уникальна или же представляет собой лишь первый образец целого класса «чёрных дыр-сирот», скрывающихся в самых ранних уголках космоса. Одно можно сказать точно: эпоха, когда чёрные дыры считались лишь пассивными обитателями центров галактик, безвозвратно уходит в прошлое.