Ученые провели анализ далекой туманности J0148-4214, чей свет преодолел до нашей планеты расстояние в 12,5 миллиарда лет. С использованием телескопа «Джеймс Уэбб» им удалось выявить свидетельства существования трех активных сверхмассивных черных дыр. Этот факт позволяет предположить, что на самых ранних этапах эволюции Вселенной могли возникать сложные структуры, включающие несколько таких гравитационных сингулярностей.

Массивные черные дырыЭти объекты увеличиваются в размерах преимущественно двумя путями: путем поглощения окружающей материи и посредством объединения с другими подобными образованиями. В течение большей части времени существования Вселенной основным механизмом увеличения их массы, скорее всего, являлось именно аккрецирование вещества.

Впрочем, существенное ускорение роста черных дыр способны вызвать галактические столкновения галактик: взаимодействие между этими структурами перенаправляет газовые потоки к центральным зонам, интенсифицируя процесс поглощения материи и способствуя сближению расположенных в центрах галактик черных дыр. Если после соединения галактик оказываются близко друг к другу несколько черных дыр, со временем они могут образовать скопление, а впоследствии объединиться.

Предыдущие наблюдения показали, указывая на то, что в первые эпохи существования галактик происходили интенсивные взаимодействия, обусловившие формирование двойных или множественных черных дыр. Обнаружение этих объектов возможно благодаря анализу излучения вещества, падающего на них (аккреции), и особенностям спектральных линий эмиссии.

В течение 2023 и 2024 годов группа астрономов во главе с Ханной Ублер ( Hannah Übler) из Института внеземной физики Общества Макса Планка, расположенного в Германии, провела наблюдения за галактикой J0148-4214. Ее красное смещение составляет z = 5,0167, что позволяет оценить ее состояние примерно через миллиард сто пятьдесят миллионов лет после начала Большого взрыва. Для этих наблюдений использовались камера ближнего инфракрасного диапазона NIRCam и спектрограф NIRSpec, установленные на борту космического телескопа «Джеймс Уэбб», исследователи идентифицировали два удаленных друг от друга региона интенсивного излучения в спектральной линии Hα (линия водорода), что, вероятнее всего, является результатом воздействия двух сверхмассивных черных дыр, активно поглощающих материю.

Исследования J0148-4214 показали наличие двух черных дыр – BH1 и BH2. Расстояние между ними составляет около 620 световых лет, а их массы оцениваются в 79 миллионов солнечных масс и 630 тысяч солнечных масс соответственно.

Затем группа исследователей под руководством Ублера обнаружила дополнительную область с ускоренным движением атомов водорода в системе J0148-4214. Этот регион находился на периферии галактики, удаленный более чем на 5500 световых лет от первых двух зон. Полученные данные свидетельствуют о наличии третьей растущей черной дыры, обозначенной как BH3, с массой приблизительно в два миллиона солнечных масс.

В статье ученые также проанализировали альтернативные объяснения наблюдаемым явлениям – взрыв сверхновых звезд, ударные волны, потоки вещества и массивные звезды. Тем не менее, ни одна из этих гипотез не смогла столь же убедительно интерпретировать комплекс полученных результатов, как представление о наличии трех черных дыр.

Происхождение этой системы остается загадкой. Специалисты допускают, что присутствие нескольких черных дыр может быть следствием недавнего объединения галактик.

Относительно третьей черной дыры данные пока не совсем определены. Она находится на значительно большем удалении от двух других объектов. Вероятно, BH3 недавно оказалась в системе J0148-4214 и постепенно сближается к центру скопления. Существует также альтернативная версия: во время мощного гравитационного взаимодействия две черные дыры могли выбросить третью на большее расстояние от центральной области.

По мнению Ублера, два объекта в центре системы, скорее всего, со временем сольются вместе. Если третья черная дыра также направляется к центру, она потенциально может впоследствии объединиться с образовавшимся новым объектом. Однако ученые пока не уверены, существует ли между этими телами гравитационная связь.

Специалисты в области астрономии провели оценку возможности регистрации будущих процессов слияния черных дыр в подобных системах при помощи детекторов гравитационных волн. Если предположить, что центральные объекты BH1 и BH2 объединятся примерно через 700 миллионов лет, а затем новый объект сольется с BH3, подобные события теоретически могут быть зафиксированы, например, космической обсерваторией LISA, запланированной к запуску в период между 2035 годом.

Для подтверждения данного сценария исследователи применили GWFish – программу-инструмент, предназначенную для оценки эффективности регистрации конкретного события гравитационных волн будущим детектором.

В условиях заданных условий вероятность выявления объединения BH1 и BH2 оценивается как 38,2 ± 4,2 процента, а вероятностное слияние возникшей черной дыры с BH3 – в пределах 81,8 ± 1,8 процента. Следует подчеркнуть, что эти значения следует рассматривать исключительно как вывод вычислительной модели и не являются гарантией того, что LISA сможет зафиксировать указанные процессы. Реальный результат зависит от последующего перемещения и развития черных дыр.

До работы группы Ублера ученые не имели доказательств существования трехкомпонентной системы массивных черных дыр в одной галактике на столь раннем этапе формирования Вселенной. Предыдущие научные изыскания обнаруживали подобные конфигурации на меньших расстояниях, зачастую вследствие взаимодействия и слияния галактик. Ярким примером является NGC 6240 – спиральная галактика, находящаяся в созвездии Змееносец, удаленная от Земли приблизительно на 400 миллионов световых лет.

Специалисты полагают, что полученные данные свидетельствуют о том, что системы из трех черных дыр могли быть распространенным явлением в ранней Вселенной. Если это действительно так, то взаимодействия и последующие слияния таких систем потенциально сыграли значительную роль в быстром увеличении массы черных дыр на первых миллиардах лет после Большого взрыва.

Выводы астрономов представлены в журнале Astronomy & Astrophysics.