В центре первых наблюдаемых галактик, возраст которых составляет около одного миллиарда лет, находятся сверхмассивные черные дыры с поразительной массой. Её величина велика для таких молодых объектов: как им удалось достичь такого размера за несколько сотен миллионов лет?
Вопрос пока остается без ответа. Существуют гипотезы, некоторые из которых предположительнее других. Все предложения исходят из того, что рост черной дыры не может быть слишком быстрым: обращающийся вокруг нее диск материи горячий и светит. Он образует квазар – один из самых ярких астрономических объектов во вселенной. Но эта яркость ограничивает количество падающей на черную дыру материи, поскольку свет оказывает давление, которое может препятствовать ее дальнейшему падению. Как же могут существовать очень молодые черные дыры с массой в 10 миллиардов солнечных масс?
Астрономы изучили одну из самых далеких известных черных дыр с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба. Результаты показали, что она, вероятно, «питается» так же, как и более поздние ее родственники, что дает новые сведения о росте этих объектов в самом начале космоса.
Изучение первой обнаруженной чёрной дыры похоже на изучение остальных.
Для измерения спектров удаленных сверхмассивных черных дыр используется прибор MIRI аппарата «Джеймс Уэбб». Прибор в 4000 раз чувствительнее всех предшествующих устройств. В 2019 году европейский консорциум MIRI отдал часть наблюдательного времени для проверки возможностей прибора, чтобы понаблюдать за самым далеким из известных квазаров под названием J1120+0641.
Наблюдения осуществлялись в январе 2023 года во время первого этапа наблюдений «Уэбба» (к этому моменту J1120+0641 перестал быть самым удалённым квазаром) и продолжались около двух с половиной часов. Это первое исследование квазара в среднем инфракрасном диапазоне периода космического рассвета, через 770 миллионов лет после Большого взрыва.
Исследовательницу Сару Босман из Института астрономии Макса Планка (MPIA) возглавляла команда анализа. Член европейского консорциума MIRI, состоит из ряда спектров квазара, которые предоставляют множество сведений.
- Общая форма спектра, называемая континуумом, показывает свойства большого тора пыли, окружающего аккреционный диск квазара. Этот тор «питает» черную дыру, и для J1120+0641 обладает теми же характеристиками, что и у более молодых аналогов.
- Видимый свет от этого объекта почти не затухает из-за космической пыли.
- С другой стороны, в области более длинных волн, где скопления газа вращаются около черной дыры со скоростью, приближающейся к скорости света, всё опять же представляется вполне обычным.
Почти все свойства, которые можно определить по спектру, у J1120+0641 не отличаются от квазаров более позднего времени. Единственное отличие — немного более высокая температура пыли, примерно на сотню Кельвинов выше 1300 К, обнаруженной в самой горячей пыли квазаров, расположенных ближе к нам.
Последствия
«Новые наблюдения лишь добавляют вопросов к тайне самых ранних квазаров: те оказались вполне обычными. «, — говорит Босман. «Без разницы на какой длине волны мы смотрим, квазары почти не меняются на протяжении всей истории Вселенной. «.
В результате получается, что не только сверхмассивные черные дыры, но и способы их роста и «питания» сформировались уже тогда, когда Вселенная была лишь 5% от своего нынешнего возраста.
- Растёт быстро первичные черные дыры, но это не решение для загадки.
- Возможна ли ошибка в оценке масс черных дыр из-за присутствия лишней пыли? Не представляется правдоподобным.
Результаты убедительно подтверждают идею о том, что сверхмассивные черные дыры с самого начала имели значительную массу и возникли из больших «семян». Первозданные сверхмассивные черные дыры не образовались из остатков первых звезд, но очень быстро стали массивными.
Они должны были сформироваться рано с начальными массами не менее сотни тысяч масс Солнца, возможно, в результате коллапса массивных газовых облаков.