Во время пресс-конференции на 243-м заседании Американского астрономического общества в Новом Орлеане (штат Луизиана) итальянский астроном Фабио Пакуччи из Гарвардского и Смитсоновского центров астрофизики (CfA) объявил о недавнем открытии, ставшем возможным благодаря космическому телескопу «Джеймс Уэбб». Согласно этому открытию, сверхмассивные черные дыры в центре первобытных галактик могут быть даже более массивными, чем считалось ранее.
Эти удивительно массивные объекты, занесенные в каталог JWST в инфракрасном диапазоне, дают новую информацию о происхождении всех сверхмассивных черных дыр, а также о ранних стадиях жизни галактик, в которых они находятся.
Сверхмассивные черные дыры в центре галактик
До появления «Джеймса Уэбба» ученые были ограничены в изучении далеких черных дыр. Ограничением были очень яркие квазары, огромные черные дыры, пожирающие материал в своем аккреционном диске и испускающие излучение, которое полностью затмевает излучение звезд в галактиках-хозяевах.
Однако теперь с помощью «Уэбба» можно пойти еще дальше, вплоть до первобытных галактик. Таким образом, исследователи пытаются определить, как сформировались первые сверхмассивные черные дыры, обнаружив черные дыры, которые находятся на большем расстоянии и имеют меньшие размеры, чем те, которые были обнаружены до сих пор.
Для своего исследования Пакуччи и его коллеги провели статистический анализ набора из 21 галактики, удаленных на расстояние от 12 до 13 миллиардов световых лет и наблюдаемых в ходе трех различных обзоров, проведенных с помощью «Уэбба»:
- Расширенное глубокое внегалактическое исследование JWST (JADES).
- Научное исследование раннего выпуска космической эволюции JWST (CEERS).
- Сборка галактики JWST с обзором NIRSpec IFS (GA-NIFS).
В близлежащих зрелых галактиках, таких как наш Млечный Путь, общая масса звезд значительно превышает массу большой черной дыры в ее центре в соотношении примерно 1000 к 1. Однако в далеких галактиках, проанализированных командой, эта разница в массе снижается до 100 к 1, 10 к 1 и даже 1 к 1. Это означает, что черная дыра может равняться совокупной массе звезд в галактике-хозяине.
«Молодые, далекие галактики нарушают соотношение между массой черной дыры и массой звезды, которое очень хорошо прослеживается в зрелых, близких галактиках«, — говорит Роберто Майолино, профессор Кембриджского университета и соавтор исследования. «Эти первозданные черные дыры, несомненно, слишком массивны по сравнению со звездным населением их хозяев».
Как возникли такие массивные черные дыры?
Точная оценка соотношения звездной массы и массы черных дыр в первобытных галактиках должна помочь определить, как возникли предшественники сверхмассивных черных дыр, прозванные семенами. В целом астрономы выделяют два возможных пути возникновения сверхмассивных черных дыр: «легкие» и «тяжелые» семена.
Легкие семена имели бы относительно небольшую массу, примерно в 100-1000 раз превышающую массу Солнца. Эти семена могли образоваться как остатки самых первых звезд во Вселенной — пока еще ненаблюдаемых звезд популяции III. Тяжелые семена, с другой стороны, начинали с массой от 10 000 до 100 000 масс Солнца. Теоретически такие тяжелые семена возникли в результате прямого гравитационного коллапса огромных облаков газа в первозданной Вселенной.
Результат Пакуччи и его коллег о сверхмассивных черных дырах в центре первобытных галактик, похоже, придает больше правдоподобия пути тяжелого семени. Моделирование и теоретические расчеты этого пути предсказывают, что черные дыры должны быть примерно такими же или даже более массивными, чем звездный компонент молодых галактик, в которых они обитают.
Вопрос остается открытым
Вопрос о том, как галактики формировались и развивались вокруг первозданного семени черной дыры, остается открытым. Росли ли черные дыры в основном за счет притяжения газа или за счет слияния с другими черными дырами? И накапливалась ли звездная масса в основном внутри галактики, или же потребовались слияния с другими, более крупными галактиками?
Пакуччи и его команда не нашли ответов, кроме своих, тем не менее, очень интересных результатов, которые позволяют предпочесть один теоретический путь другому. Однако они ожидают, что ответы начнут появляться благодаря будущим исследованиям JWST. Ведь благодаря инфракрасному обзору обсерватория становится все ближе и ближе к младенчеству Вселенной, когда она была заселена самыми первыми объектами. Пакуччи объяснил:
«Мы знаем, что с течением космического времени отношение звездной массы к массе черной дыры постепенно достигает локального соотношения 1000 к 1 в современной Вселенной. Это происходит, когда черная дыра и ее галактическая система эволюционируют вместе, сливаясь с другими галактиками и образуя легионы звезд. Мы все еще работаем над тем, чтобы заглянуть достаточно глубоко во Вселенную и восстановить, как все это началось«.
С докладом об этих результатах, опубликованным в журнале The Astrophysical Journal Letters, можно ознакомиться .