Космические монстры в шаге от слияния: найдена самая тесная пара сверхмассивных чёрных дыр ранней Вселенной

Астрономы обнаружили тесную пару активно питающихся сверхмассивных чёрных дыр, увиденную в эпоху, когда Вселенной было всего 1,3 миллиарда лет. Два монстра, объединённые названием LID-1166, разделены лишь примерно 4900 световыми годами внутри сливающейся галактики. Это первый чёткий взгляд на фазу, критически важную для понимания роста сверхмассивных чёрных дыр.

Большинство крупных галактик, которые мы видим, формировались миллиарды лет, сливаясь друг с другом, и у большинства галактик в центре есть чёрные дыры, поэтому слияние должно порождать систему из двух чёрных дыр. Такие «двойные системы» считаются обычным явлением ранней Вселенной, но, укрытые плотным газом и пылью, они расположены слишком близко, чтобы наблюдать их по отдельности.

В новом исследовании, загруженном на сервер препринтов arXiv 21 июля, астроном Хевон Со из Международной обсерватории Gemini/NSF NOIRLab и её коллеги сообщили об открытии самой близкой двойной системы чёрных дыр, когда-либо подтверждённой на столь раннем этапе истории Вселенной. Команда использовала космический телескоп «Джеймс Уэбб» и комплекс радиотелескопов ALMA в Чили. Статья принята к публикации в журнале Nature Astronomy. «Особенность открытия в том, что мы, возможно, видим две чёрные дыры, которые растут и взаимодействуют в системе всего через 1,3 миллиарда лет после Большого взрыва», — рассказала Live Science астрофизик Центра космических полётов NASA имени Годдарда Анна Триндаде Фалькао, не участвовавшая в работе.

Давняя «близкая» пара

LID-1166 впервые привлекла внимание астрономов как рентгеновский источник в обзоре Chandra COSMOS Legacy, но оставалась совершенно невидимой даже на самых глубоких снимках «Хаббла». Сильный рентгеновский сигнал намекал на мощную активность питания. Чтобы понять источник этих выбросов, команда использовала инструмент NIRSpec «Уэбба», который выявил два компактных светящихся источника, разделённых 4900 световыми годами. Хотя астрономы и раньше находили кандидатов в двойные чёрные дыры в ещё более раннем космосе, те пары разделяли десятки тысяч световых лет. LID-1166 — первый подтверждённый случай столь тесного соседства.

«Этот шаг стал возможен только благодаря превосходным возможностям визуализации и спектроскопии JWST, особенно инструмента NIRSpec, — сказал в письме Live Science соавтор Роберто Декарли, астроном Национального института астрофизики в Болонье. — Аналогичные наблюдения с Земли были бы крайне сложны из-за плохой прозрачности атмосферы на этих длинах волн».

Оба объекта показали спектральные признаки газа, вращающегося с высокими скоростями, что указывает на активно питающиеся чёрные дыры — активные ядра галактик, питающие сливающуюся систему. Триндаде Фалькао отметила, что исследователи проверили несколько методов вычитания света главной галактики, и сигнал в позиции второго объекта оставался на месте каждый раз, что является «значимым доказательством» его реальности. Тем не менее, по её словам, стоило бы перепроверить более детальным анализом, действительно ли данные показывают две отдельные чёрные дыры, а не одну чёрную дыру плюс остаточное свечение, принятое за вторую.

С помощью данных ALMA команда также обнаружила крупные резервуары холодного газа у каждого активного ядра. По словам Декарли, это «указывает на то, что два ядра находятся в центрах двух галактик, готовых к слиянию». Присутствие галактического окружения вокруг каждой чёрной дыры помогло исключить другие экзотические сценарии: если бы одну из чёрных дыр выбросило из родной галактики при слиянии или в хаотическом тройном гравитационном взаимодействии, она двигалась бы быстро и без газа, представая «голой», лишённой окружения. Наблюдения показали иное.

Чудовищный рост

Открытие может помочь понять одну из главных загадок астрономии: как некоторые сверхмассивные чёрные дыры так быстро росли в ранней Вселенной. Модели быстрого роста опираются на идею, что газ из окрестностей галактики устремляется к центру и питает чёрную дыру, объяснил Декарли. «Поедание других галактик — часть процесса, — сказал он. — Но что, если у этих галактик тоже есть массивная чёрная дыра в центре?» Изучение систем вроде LID-1166 прольёт свет на то, как идёт рост таких галактик и их чёрных дыр. Сама по себе идея, что ранние галактики сливаются и увлекают за собой чёрные дыры, не удивительна — теория предсказывала это годами. «Поражает то, что мы разрешили этот процесс в затенённой паре, разделённой всего 1,5 килопарсека, — сказала Триндаде Фалькао. — Это первый шаг к обнаружению скрытой популяции чёрных дыр, которые, как мы знаем теоретически, должны существовать».

Источники:
Материал подготовлен на основе препринта Hyewon Suh и коллег, принятого к публикации в Nature Astronomy, данных космического телескопа «Джеймс Уэбб» и комплекса ALMA, а также комментариев Роберто Декарли и Анны Триндаде Фалькао для Live Science.