Астрономы впервые зафиксировали и проанализировали спектр необычайно яркой галактики, сформировавшейся в ранней Вселенной – объекта GN-z11, который ранее считался самой далёкой галактикой. В настоящее время исследователи установили, что в её центре расположена сверхмассивная чёрная дыра – древнейшая из известных на данный момент.
Ученые из Кембриджского университета (Великобритания), совместно с международной группой исследователей, использовали данные, полученные с космического телескопа «Джеймс Уэбб», чтобы подтвердить существование черной дыры в центре удаленной галактики GN-z11. Благодаря этому, мы можем наблюдать ее в том виде, в котором она предстала всего через 400 миллионов лет после Большого взрыва. Ее красное смещение составляет z = 10,6.
Черные дыры сами по себе не испускают излучение, поэтому для определения их существования или отсутствия исследователи используют косвенные свидетельства, такие как излучение вещества, которое падает в них. В 2023 году другая группа ученых опубликовала первый анализ спектра GN-z11 по данным инструмента NIRCam. Тогда исследователи пришли к выводу, что яркость и особенности излучения свидетельствуют об активном звездообразовании. Тем не менее они не смогли исключить вероятность существования в этой галактике активного ядра.
В ходе нового исследования ученые провели более детальный анализ спектра GN-z11. Полученные данные позволили выявить характерные особенности, которые, вероятнее всего, обусловлены наличием активного ядра – сверхмассивной черной дыры, поглощающей вещество. Речь идет о галактике сейферта первого типа с узкими линиями эмиссии (NLSy1).
В ходе исследования авторы оценили возможность того, что данное излучение генерируется исключительно звездами, такими как Вольфа — Райе. Однако они пришли к заключению, что даже при наличии подобных звезд в GN-z11, они должны находиться в непосредственной близости от активной области. Статья опубликована в журнале Nature.
По мнению исследователей, масса этой сверхмассивной черной дыры составляет приблизительно 1,6 миллиона солнечных масс. В качестве примера: масса черной дыры, расположенной в центре нашей галактики Млечный Путь, оценивается в 4,31 миллиона солнечных масс. Чтобы достичь подобных габаритов, черной дыре, возникшей из остатков умершей звезды, потребовался бы миллион лет. Следовательно, либо изначальный объект имел значительно большие размеры (например, сформировался непосредственно в результате сжатия газового облака), либо он аккрецировал вещество с более высокой скоростью, чем это принято считать допустимым.
«Учитывая, что эта черная дыра обладает избыточной массой для столь юной Вселенной, необходимо изучить альтернативные варианты ее возникновения. Первоначальные галактики содержали огромное количество газа, что создавало благоприятные условия для формирования черных дыр», — объяснил главный автор исследования профессор Роберто Майолино (Roberto Maiolino). Но это несет печальные последствия для самой галактики.
Галактика GN-z11 отличается небольшими размерами, она примерно в 100 раз меньше Млечного Пути. Вероятно, столь активное ядро препятствует её дальнейшему развитию, поскольку оно поглощает и с помощью ветра отбрасывает значительное количество вещества. В подобных условиях формирование звёзд может прекратиться, и тогда галактика перестанет существовать, а вместе с ней прекратит своё существование и чёрная дыра, лишившись источника энергии.
Существует немало предположений относительно того, как в ранней Вселенной, за первый миллиард лет своего существования, могли возникнуть столь огромные черные дыры. Прежде всего, исследователи рассматривают различные сценарии формирования «зародышей», из которых впоследствии образовались эти объекты. Например, космологи, приверженцы циклической модели, считают, что крупные черные дыры могли попасть в нынешнюю Вселенную из предыдущего цикла своего существования (реликтовые черные дыры). Кроме того, анализируются различные модели поглощения вещества.
Для сопоставления этих сценариев с фактическими данными требуется создание базы данных, содержащей информацию о самых древних сверхмассивных черных дырах. Теперь, с появлением новых инструментов, это стало осуществимым.
«Майолино подчеркнул, что наступила новая эпоха, ознаменованная значительным улучшением чувствительности, в особенности в инфракрасном диапазоне. По его словам, это подобно мгновенному переходу от телескопа, созданного Галилео, к современному аналогу.