Благодаря новому инструменту VLT ученые впервые получили возможность непосредственно определить массу сверхмассивной черной дыры, расположенной на большом расстоянии. Свет от ее окрестностей преодолел путь к нам за 11 миллиардов лет. Оказалось, что ее масса в четыре раза меньше, чем предсказывалось на основе массы галактики, в которой она находится.
В областях, ближайших к нашей Вселенной, наблюдается устойчивая взаимосвязь между общими свойствами галактик и массой сверхмассивной черной дыры, расположенной в их центре. На основании этого ученые предполагают, что галактики и центральные черные дыры развиваются синхронно. Важную роль в этом процессе играет период наиболее интенсивного роста, когда черная дыра находится в состоянии квазара.
На стадии квазара энергия, исходящая от поглощаемого вещества, настолько сильна, что оказывает влияние на процессы звездообразования в галактике, препятствуя формированию новых звезд. Ученых интересует эволюция этого взаимодействия с течением времени. К счастью, эти объекты отличаются высокой светимостью, что позволяет наблюдать их на расстояниях в миллиарды световых лет. Теперь исследователи располагают инструментом, позволяющим более детально изучать процессы, происходящие вблизи черной дыры — модернизированный комплекс GRAVITY на телескопах VLT, принадлежащих Европейской южной обсерватории.
Используя инструмент GRAVITY+, исследователи во главе с Таро Шимизу (Taro Shimizu) из Института внеземной физики общества Макса Планка провели исследование сверхмассивной черной дыры J0920 (сокращение от SDSS J092034.17+065718.0) с красным смещением z = 2,3. Свет, исходящий из ее окрестностей, достиг Земли примерно за 11 миллиардов лет.
Для непосредственного определения массы черной дыры астрономы наблюдают за движением газа и звезд, находящихся вблизи нее. Скорость этого движения прямо пропорциональна массе. Однако наблюдение за таким движением на значительных расстояниях представляет собой сложную задачу. Адаптивная оптика GRAVITY+ предоставляет возможность решить эту проблему. Этот инструмент собирает данные с четырех телескопов VLT, диаметром восемь метров каждый. По своим характеристикам он эквивалентен одному телескопу диаметром 120 метров.
Удалось зафиксировать перемещение газовых облаков в плотном диске, окружающем J0920. Для определения фактических размеров центральной области вокруг квазара, необходимо знать ее геометрию, поэтому ученые сравнили полученные данные с компьютерной моделью. Это позволило им впервые непосредственно измерить массу столь удаленной черной дыры.
Масса объекта составила 320 миллионов солнечных масс, в то время как масса галактики оценивается в 60 миллиардов солнечных масс. Таким образом, черная дыра оказалась примерно в четыре раза легче, чем ожидалось бы для современной галактики. Это указывает на то, что в некоторых галактиках существует временной разрыв между ростом галактики и ростом ее центральной черной дыры. Работа исследователей опубликована в журнале Nature.
«Наиболее вероятный эволюционный сценарий для этой галактики предполагает интенсивное излучение, вызванное взрывами сверхновых. Эти взрывы звезд препятствовали аккреции газа в черную дыру, рассеивая его из центральной области. Только когда масса галактики достигнет достаточного значения, чтобы удерживать газ в центре, несмотря на сверхновые, черная дыра сможет начать интенсивный рост и догнать свою галактику», — объяснил участник исследования Жиньи Шангуан (inyi Shangguan).
Черная дыра J0920, в том виде, в котором она нам видна, поглощает вещество с колоссальной скоростью – от 30 до 140 солнечных масс ежегодно. При такой скорости, приблизительно через десять миллионов лет, ее масса по отношению к массе галактики станет соответствовать параметрам, характерным для ранней Вселенной. Однако, как утверждают авторы исследования, маловероятно, что J0920 сможет продолжать поглощать вещество в таком темпе. Вероятнее всего, для достижения «нормальной» массы ей предстоит пройти через несколько «квазарных эпизодов», но с существенно меньшей скоростью аккреции.
«Этот усовершенствованный инструмент, получивший название GRAVITY+, знаменует собой новую революцию в астрономии. Благодаря ему появилась возможность получения изображений черных дыр, существовавших в ранней Вселенной, с разрешением, в 40 раз превосходящим возможности телескопа «Джеймс Уэбб“», — отметил Франк Эйзенхауэр, возглавляющий группу, работающую над инструментом GRAVITY, является директором Института внеземной физики общества Макса Планка.
Обновления внедряются поэтапно, чтобы не создавать помех для научной деятельности и проверять каждый этап. Завершение модернизации запланировано на 2025 год.