«Джеймс Уэбб» нашел черную дыру, образовавшуюся раньше своей галактики
Что появляется раньше — галактика или черная дыра? Точно неизвестно, но логично предположить, что сначала должна быть галактика, потом звезды в ней расходуют свое топливо, коллапсируют и превращаются в черные дыры, которые сливаются, образуя более массивные объекты. Однако тогда трудно объяснить черные дыры массой от миллионов до миллиардов солнечных в ранней Вселенной (а их обнаружены тысячи) — как они так быстро вырасти?
Некоторые сверхмассивные черные дыры были огромны с самого начала, поэтому галактика-хозяин им не нужна — к таким выводам пришли ученые, изучавшие маленькую красную точку Abell2744-QSO1 (QSO1), которая существовала всего через 700 миллионов лет после Большого взрыва. Результатами они поделились на страницах Nature и Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
«Это замечательное открытие! Это смена парадигмы, полный пересмотр классических представлений о том, как рождаются и растут черные дыры», — говорит космолог Роберто Майолино из Кембриджского университета, соавтор обеих статей.
В изучении QSO1 исследователям помогла гравитационная линза, роль которой сыграло скопление галактик Abell 2744 (скопление Пандоры). Благодаря ей объект виден крупнее и сразу в трех местах.
По результатам первых наблюдений авторы определили QSO1 как облако светящегося водорода и гелия вокруг сверхмассивной черной дыры массой около 40 миллионов солнечных. Хотя оставались сомнения — неужели такая огромная?
«Раньше все оценки масс черных дыр в ранней Вселенной были косвенными — мы исходили из допущений, основанных на знании о дырах в современной Вселенной. Мы не знали, работают ли эти допущения для далекого космоса», — признает соавтор Франческо Д'Эудженио, также из Кембриджа.
Ранняя — и сразу огромная
Если черная дыра в QSO1 действительно настолько массивна, как кажется, то с помощью интегрального полевого спектрографа (IFU) прибора NIRSpec на «Уэббе» можно проследить, как ее гравитация воздействует на окружающий газ, решили ученые. По данным IFU они составили карту движения водорода вокруг черной дыры. Выяснилось, что газ движется по кеплеровским орбитам — как планеты вокруг Солнца.
«Это важно, потому что говорит нам: почти вся масса QSO1 сосредоточена в черной дыре в центре. Если бы масса была распределена более равномерно (как было бы в случае множества звезд), у газа не было бы такого идеального кеплеровского вращения», — объясняет космолог Игнас Юоджбалис из Кембриджа, еще один соавтор.
Поскольку кеплеровским движением управляют простые законы гравитации, по результатам измерения скорости газа рассчитали массу черной дыры — то, что раньше было невозможно.
Дыра оказалась не просто огромной (примерно 50 миллионов солнечных масс) — она составляет как минимум две трети от всей массы QSO1. Такая доля в тысячи раз превышает показатели соседних галактик, где сверхмассивные черные дыры занимают лишь ничтожную часть от общей массы галактики-хозяина.
Косвенным подтверждением стал анализ состава газа — QSO1 состоит в основном из водорода и гелия, с минимумом тяжелых элементов вроде кислорода, которые ожидаешь найти в галактике, богатой звездами и звездными остатками. С металличностью менее 0,5% от солнечной QSO1 — одна из самых первозданных галактических сред из когда-либо измеренных.
Ранняя Вселенная наверняка полна такими же
«Отличный результат, — доволен Майолино. — Первое прямое измерение массы черной дыры в первый миллиард лет после Большого взрыва, и оно согласуется с предыдущими косвенными оценками».
Это означает, что предположения, выдвигавшиеся для косвенных измерений, верны, и массы других черных дыр в ранней Вселенной не были завышены.
Непропорционально большая масса черной дыры по сравнению с галактикой говорит и о ее происхождении.
«Похоже, мы нашли черную дыру, у которой нет полноценной галактики-хозяина и которая возникла раньше звездных процессов. Это очень важно, потому что мы получили доказательство существования первичных черных дыр или дыр прямого коллапса — теоретически они предсказаны, но до сих пор подтверждены не были», — подчеркивает Юоджбалис.
По мнению исследователей, дыра в QSO1 почти наверняка родилась уже огромной и, возможно, сейчас пребывает в ранней стадии формирования галактики вокруг себя. Сейчас они анализируют похожие объекты, чтобы выяснить, действительно ли сверхмассивные черные дыры появлялись раньше галактик, в которых теперь находятся.
