С помощью усовершенствованного инструмента VLT удалось впервые напрямую измерить массу далекой сверхмассивной черной дыры, свет от окрестностей которой летел к нам 11 миллиардов лет. Она оказалась в четыре раза «легче», чем должна быть, исходя из массы галактики, в которой она находится.
В ближайших к нам окрестностях Вселенной существует закономерная связь между общими характеристиками галактик и массой сверхмассивной черной дыры в центре. Отсюда ученые делают вывод, что, видимо, галактики эволюционируют вместе со своими центральными черными дырами. При этом многое определяет самый активный период их развития, когда дыра находится в фазе квазара.
На этапе квазара излучение от поглощаемого вещества настолько велико, что влияет на звездообразование в галактике (излучение «выдувает» газ, подавляя формирование новых звезд). Астрономов интересует, как со временем меняется их взаимодействие. К счастью, эти объекты настолько яркие, что мы видим их с расстояния в миллиарды световых лет. И теперь у исследователей есть инструмент, позволяющий точнее разглядеть происходящее в непосредственной близости от черной дыры, — усовершенствованный GRAVITY на комплексе телескопов VLT, принадлежащем Европейской южной обсерватории.
С помощью GRAVITY+ группа ученых под руководством Таро Шимизу (Taro Shimizu) из Института внеземной физики общества Макса Планка изучила сверхмассивную черную дыру J0920 (сокращение от SDSS J092034.17+065718.0) с красным смещением z = 2,3. Свет от ее окрестностей летел к нам примерно 11 миллиардов лет.
Чтобы напрямую измерить массу черной дыры, астрономы отслеживают движение газа и звезд в ее окрестностях. Чем быстрее это движение, тем больше масса. Сложность в том, что разглядеть это движение на больших расстояниях очень непросто. Именно такую возможность дает адаптивная оптика GRAVITY+. Инструмент объединяет данные с четырех восьмиметровых телескопов VLT. По точности он «окупает» один 120-метровый телескоп.
Группе удалось разглядеть движение газовых облаков в плотном диске вокруг J0920. Так как для расчета реальных размеров центральной области вокруг квазара нужно знать ее геометрию, ученые сопоставили полученные данные с компьютерной моделью. Благодаря этому им удалось впервые напрямую измерить массу настолько далекой черной дыры.
Оказалось, масса объекта — 320 миллионов солнечных масс при массе галактики около 60 миллиардов солнечных масс. Получается, черная дыра примерно в четыре раза менее массивна, чем была бы, будь это современная галактика. Значит, по крайней мере в некоторых галактиках есть задержка между ростом самой галактики и ростом ее черной дыры. Работа исследователей опубликована в журнале Nature.
«Самый вероятный эволюционный сценарий для этой галактики включает в себя сильное излучение от сверхновых. Эти взрывы звезд разогнали газ из центральной области до того, как он успел упасть в черную дыру. Тогда черная дыра сможет начать быстрый рост и догнать свою галактику, лишь когда масса галактики станет достаточной большой для удержания газа в центре, несмотря на взрывы сверхновых», — объяснил участник исследования Жиньи Шангуан (inyi Shangguan).
Черная дыра J0920, какой мы ее видим, поглощает вещество с огромной скоростью, от 30 до 140 солнечных масс в год. При такой скорости примерно через десять миллионов лет соотношение ее массы и массы ее галактики станет типичным для ранней Вселенной. Впрочем, по словам авторов статьи, маловероятно, что J0920 сможет поддерживать такой темп. Скорее, чтобы достичь «нормальной» массы, она пройдет через несколько «квазарных эпизодов», но с гораздо меньшей скоростью поглощения.
«Это (усовершенствованный инструмент GRAVITY+. — Прим. ред.) следующая революция в астрономии. Теперь мы можем получать снимки черных дыр в молодой Вселенной, которые в 40 раз точнее снимков телескопа „Джеймс Уэбб“», — отметил Франк Эйзенхауэр, директор Института внеземной физики общества Макса Планка, который руководит группой, занимающейся инструментом GRAVITY.
Апдейты внедряют постепенно, чтобы не мешать научной работе и тестировать каждый этап. Усовершенствование планируют завершить в 2025 году.