Космический рассвет: «Джеймс Уэбб» обнаружил древнейшую сверхмассивную черную дыру

Астрономы, работающие с данными космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST), возможно, обнаружили самую далекую из когда-либо наблюдавшихся сверхмассивных черных дыр. Этот колоссальный объект скрывается в галактике GHZ2 и находится так далеко, что мы видим его таким, каким он был всего через 350 миллионов лет после Большого взрыва.

Исследование команды, опубликованное на сервере препринтов arXiv 4 ноября (и ожидающее рецензирования), основано на наблюдениях с помощью ближнего инфракрасного спектрографа (NIRSpec) и средне-инфракрасного прибора (MIRI) на борту JWST. Эти инструменты охватывают широкий диапазон длин волн и способны уловить ультрафиолетовый и оптический свет, изначально излученный далекой галактикой, который из-за расширения Вселенной «растянулся» в инфракрасный спектр.

«GHZ2 существует в эпоху, когда Вселенная была чрезвычайно молода, и у сверхмассивной черной дыры и её галактики-хозяина было относительно мало времени, чтобы расти вместе, — пояснил в интервью Live Science Оскар Чавес Ортис, ведущий автор исследования. — В местной Вселенной черные дыры и галактики явно совместно эволюционируют, но обнаружение такой системы в столь раннюю эпоху ставит под вопрос то, как сверхмассивные черные дыры набирают массу так быстро».

Существуют две основные гипотезы формирования этих ранних монстров, отметил Чавес Ортис: либо это «легкие семена», которые растут с невероятной скоростью, либо «тяжелые семена», которые изначально обладают большой массой, получая фору с самого начала.

Секреты спектральных линий

С момента открытия GHZ2 в 2022 году астрономы с помощью JWST обнаружили множество далеких галактик. Однако GHZ2 выделяется среди них, потому что её спектр демонстрирует очень интенсивные «линии излучения» — яркие полосы света, испускаемые определенными атомами или ионами, когда их электроны возбуждаются и высвобождают энергию на определенных длинах волн. Эти линии несут в себе ключи к разгадке процессов, питающих галактику.

«Мы наблюдаем линии излучения, для производства которых требуется много энергии, так называемые линии высокой ионизации, — сообщил Live Science Хорхе Савала, соавтор исследования. — Современное понимание ионизации газа основано в основном на близких к нам регионах звездообразования и обычно не учитывает столь интенсивные линии высокой ионизации».

Эти линии и их соотношение часто встречаются в активных галактических ядрах (AGN), в центрах которых находятся активно поглощающие вещество черные дыры, излучающие гораздо более энергичные фотоны.

Ключевой подсказкой стало обнаружение линии излучения C IV λ1548, которая исходит от трижды ионизированного углерода — атомов углерода, потерявших три электрона. «Удаление трех электронов требует чрезвычайно интенсивного радиационного поля, чего очень трудно достичь с помощью одних только звезд», — подчеркнул Чавес Ортис. AGN как раз и производит такие высокоэнергетические фотоны. Интенсивность этой линии strongly suggested, что в GHZ2 может скрываться «голодная» черная дыра, что и мотивировало исследователей провести углубленный анализ.

Смешанная природа

Поскольку GHZ2 — необычная система, бросающая вызов существующим моделям, исследователям пришлось разработать детальные модели, чтобы объяснить её уникальное поведение и понять вклад как звезд, так и AGN в свечение галактики. Этот процесс потребовал многократной проверки и усовершенствования моделей.

Их анализ показал, что хотя спектральные линии в видимом свете можно объяснить одним только звездообразованием, аномально сильная углеродная линия требует присутствия AGN. Это открытие свидетельствует о том, что часть света галактики порождена активно питающейся сверхмассивной черной дырой.

Однако, как отметил Савала, в GHZ2 отсутствуют некоторые другие индикаторы AGN. Это означает, что галактика может питаться в основном звездами — но только если эти звезды были сверхмассивными (в сотни или тысячи раз тяжелее Солнца), или если звездообразование в GHZ2 происходило совершенно иначе, чем мы понимаем сегодня.

Еще одна возможность заключается в том, что свет галактики является смесью излучения от нормальных звезд и более экзотических источников, таких как сверхмассивные звезды или тот самый AGN.

Продолжение и перспективы открытия:

Чтобы окончательно подтвердить активность черной дыры, исследователи планируют получить дополнительные данные с JWST для сбора спектрального разрешения. Также помогут наблюдения с массива радиотелескопов ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) в дальнем инфракрасном диапазоне, которые повысят чувствительность всего набора данных.

Если открытие подтвердится, GHZ2 стадит хозяином самой далекой сверхмассивной черной дыры из всех известных. Обнаружение признаков AGN в этой галактике предлагает нам редкую естественную лабораторию для проверки конкурирующих моделей формирования и роста черных дыр — «легких» и «тяжелых семян» — всего через несколько сотен миллионов лет после рождения Вселенной.

Это открытие заставляет пересмотреть наши представления о темпах космической эволюции. Существование столь массивного объекта в столь юной Вселенной указывает на то, что процессы, ведущие к рождению гигантов, должны были запуститься и завершиться невероятно быстро. GHZ2 бросает вызов не только моделям роста черных дыр, но и нашим теориям о формировании первых галактик, заставляя задуматься о том, какие экзотические физические условия царили на космическом рассвете.