Примерно через 500 миллионов лет после начала существования Вселенной, аномальная черная дыра уже накопила значительную массу. Изучение ее развития дало астрономам возможность понять, каким образом в ранней Вселенной формировались массивные и столь же древние объекты.
Скопление Пандоры, или Abell 2744, — этот массивный скопление галактик, по мнению исследователей, сформировался в результате слияния не менее четырех других скоплений. Этот объект представляет интерес сам по себе, однако это не единственная причина, по которой астрономы проявляют к нему повышенное внимание.
Масса скопления позволяет ему действовать как гравитационная линза, увеличивая видимость более удаленных галактик, которые иначе были бы недоступны для наблюдения с помощью современных инструментов. Телескоп «Джеймс Уэбб» и это скопление позволили обнаружить 11 галактик, существовавших в эпоху, когда после Большого взрыва прошло менее миллиарда лет.
Международная группа астрономов провела исследование с целью выяснить, содержатся ли в центре этих объектов сверхмассивные черные дыры, которые активно поглощают материю. Ядра галактик, демонстрирующие подобную активность, известны как квазары. Интенсивное рентгеновское излучение, возникающее в результате этих процессов, позволило ученым использовать космическую рентгеновскую обсерваторию «Чандра».
Один из заметных источников света оказался расположен в галактике UHZ1, галактика была увеличена в четыре раза гравитационной линзой. Мы наблюдаем ее с красным смещением z ≈ 10,3, что позволяет увидеть ее в том виде, в котором она существовала через 500 миллионов лет после Большого взрыва. Анализ энергии и длин волн указывает на наличие квазара в центре галактики, который скрыт пылью и газом. Однако наиболее важным является его масса.
Яркость этих объектов позволяет ученым оценить их массу. По мере увеличения массы объект поглощает больше вещества, которое светится ярче, замедляясь перед тем, как упасть в черную дыру. Однако, если излучение становится чрезмерно интенсивным, оно может «сдуть» окружающую материю, лишив источник энергии. Критическим параметром в этом процессе является эддингтоновская светимость, также известная как предел Эддингтона.
Согласно имеющимся сведениям, масса черной дыры составляет UHZ1 как минимум в 10 миллионов раз больше солнечной. И примерно такая же масса у всей ее галактики. В современной Вселенной подобных объектов нет: обычно масса сверхмассивной черной дыры составляет около 0,1% массы ее галактики. По словам авторов исследования, настолько высокая доля у UHZ1 означает, что мы «поймали» этот объект на раннем этапе эволюции.
Предлагается две гипотезы, объясняющие, как столь крупные объекты смогли образоваться в ранней Вселенной. Первая предполагает, что «предшественниками» этих структур стали остатки очень массивных звезд первого поколения, которые постепенно увеличивали свою массу, аккрецируя вещество. Альтернативная версия утверждает, что они возникли сразу в значительном размере в процессе гравитационного сжатия космического газового облака.
Опираясь на оценку массы квазара UHZ1 и предполагая, что черная дыра сформировалась через 200 миллионов лет после Большого взрыва, ученые рассчитали ее эволюцию и сделали следующий вывод. Если бы дыра образовалась из умершей звезды, то на протяжении эволюции ей пришлось бы поглощать материю в два раза быстрее, чем позволяет предел Эддингтона. Если же она сформировалась из облака, то ей достаточно было бы поддерживать скорость на уровне этого предела.
Поскольку это первый подобный анализ, к его результатам следует подходить с осторожностью. Информация о десяти оставшихся галактиках и результатах их рентгеновских наблюдений будет представлена в отдельной научной работе. Исследование о UHZ1 вышло в журнале Nature Astronomy.