Космический телескоп Джеймс Уэбб, вероятно, зафиксировал один из наиболее странных объектов, когда-либо замеченных в ранней Вселенной: колоссальную сверхмассивную черную дыру, существовавшую еще до появления галактики, в которой она находится. Это открытие, сделанное международной командой ученых во главе с исследователями из Кембриджского университета, бросает вызов одной из общепринятых теорий эволюции космоса, утверждающей, что сверхмассивные черные дыры формируются внутри галактик и постепенно увеличиваются в размерах со временем.
Объект, который наблюдается, обозначен как Abell2744-QSO1 и принадлежит к категории Little Red Dot — классу чрезвычайно компактных и ярких источников, которые телескоп «Уэбб» выявил в первые миллиарды лет существования Вселенной. QSO1 сформировался уже через 700 миллионов лет после Большого взрыва и содержит в своем центре сверхмассивную черную дыру, чья масса составляет приблизительно 50 миллионов солнечных масс.
Благодаря спектроскопическим приборам, таким как NIRSpec, телескоп Уэбба предоставил возможность изучить движение газа, окружающего черную дыру. Анализ показал, что газ вращается по законам, аналогичным кеплеровским, по которым движутся планеты вокруг Солнца. Это свидетельствует о том, что почти вся масса объекта сосредоточена в центре – непосредственно в черной дыре.
Согласно информации, полученной командой исследователей, масса черной дыры не уступает двум третям общей массы рассматриваемой системы. В то же время, в соседних галактиках сверхмассивные черные дыры обычно составляют лишь незначительную часть галактической массы. Исходя из этого, QSO1 может представлять собой одно из первых прямых подтверждений существования черных дыр, сформировавшихся в крупном масштабе и минувших обычный звездный цикл развития.
Помимо определения массы черной дыры, телескоп Уэбб предоставил возможность исследовать состав газа, окружающего QSO1. Полученные данные свидетельствуют о том, что данная среда состоит в основном из водорода и гелия – самых ранних образовавшихся элементов Вселенной – с крайне низким содержанием более тяжелых элементов, например кислорода или углерода. Этот аспект имеет значение, поскольку тяжелые элементы формируются в звездах в процессе их эволюции и выбрасываются в межзвездное пространство в результате взрывов сверхновых. Практически полное отсутствие этих веществ указывает на то, что вокруг черной дыры еще не сформировалось заметное количество звезд.
По мнению авторов исследования, QSO1, возможно, демонстрирует одну из самых ранних стадий формирования галактики, когда черная дыра образовалась до появления звезд. Данная гипотеза давно является предметом дискуссий в научном сообществе, однако для ее подтверждения требовались более детальные наблюдения. Заметная яркость объекта способствовала успешному проведению наблюдений. QSO1 подвергся усилению и утроению вследствие гравитационного линзирования — на изображениях, полученных телескопом Уэбба, этот объект виден в трех копиях. Этот эффект обусловлен гравитационной линзой, создаваемой скоплением галактик Abell 2744, известным как Скопление Пандоры. Гравитация скопления деформирует, увеличивает и умножает свет, исходящий от удаленного объекта, что позволяет Уэббу изучать его с большей детализацией.
Данные были опубликованы в изданиях Nature и Monthly Notices of the Royal Astronomical Society и демонстрируют одно из наиболее точных измерений, когда-либо полученных для черной дыры в ранней Вселенной. С момента начала эксплуатации телескоп Джеймса Уэбба кардинально изменил наше понимание ранней Вселенной. Одним из самых неожиданных открытий стало выявление множества сверхмассивных черных дыр, существовавших уже через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. В соответствии с общепринятыми теориями, эти объекты должны возникать в результате гравитационного коллапса массивных звезд и постепенно увеличиваться в размере, поглощая вещество или объединяясь с другими черными дырами. Однако в молоденькой Вселенной, по всей видимости, не было достаточно времени для формирования объектов с такими большими массами.
В связи с этим астрономы изучают другие возможные объяснения. Среди наиболее обсуждаемых – концепция «тяжелых семян», представляющих собой начальные, значительно более массивные, чем обычные звездные остатки, зародыши. Другой вариант предполагает прямое сжатие огромных облаков первичного газа без предварительного образования звезд. QSO1, судя по всему, соответствует этим гипотезам. Данные, полученные с помощью телескопа Уэбба, указывают на то, что черная дыра сформировалась сразу очень крупной и только потом начала поглощать вещество, необходимое для создания галактики вокруг нее. В настоящее время исследователи анализируют другие подобные «маленькие красные точки», чтобы выяснить, насколько часто встречалось это явление в ранней Вселенной. Если это будет подтверждено, открытие может существенно пересмотреть представления о формировании первых галактик и сверхмассивных черных дыр.