Первые известные сверхмассивные черные дыры в центре галактик, которые мы наблюдаем в течение первого миллиарда лет существования Вселенной, обладают удивительно большой массой. Слишком большая, чтобы быть такими молодыми: как им удалось вырасти настолько большими всего за несколько сотен миллионов лет?
В настоящее время этот вопрос остается без ответа. Выдвигаются гипотезы, некоторые из которых более вероятны, чем другие. Однако все они учитывают, что рост черной дыры не может быть произвольно быстрым: притягиваемая ею материя образует вокруг нее вращающийся, горячий и светящийся «аккреционный диск», порождающий квазар, который является одним из самых ярких астрономических объектов во всем космосе. Но эта яркость ограничивает количество материи, которая может упасть на черную дыру: свет оказывает давление, которое может препятствовать дальнейшему падению материи. Так как же могут существовать очень молодые черные дыры с массой в 10 миллиардов солнечных масс?
С помощью космического телескопа Джеймса Уэбба астрономы изучили одну из самых далеких известных черных дыр во Вселенной. Результаты показали, что она, по-видимому, «питается» примерно так же, как и ее более поздние родственники, что дает новые подсказки о том, как происходит рост этих объектов в самом начале космоса. Самое главное — исключить возможность того, что ответ на предыдущие вопросы заключается лишь в том, что механизмы аккреции отличались от тех, которые мы наблюдаем у менее древних сверхмассивных черных дыр.
Наблюдение одной из первых черных дыр: то же самое, что и многие другие
Для измерения спектров далеких сверхмассивных черных дыр используется прибор MIRI (Mid InfraRed Instrument) аппарата «Джеймс Уэбб», который в 4000 раз чувствительнее всех предыдущих приборов. В 2019 году европейский консорциум MIRI решил использовать часть своего наблюдательного времени для проверки возможностей прибора, чтобы понаблюдать за самым далеким из известных квазаров, получившим название J1120+0641.
Изображение J1120+0641, очень далекого квазара, источником энергии которого является черная дыра с массой в два миллиарда раз больше массы Солнца, созданное на основе снимков, полученных в рамках Слоановского цифрового обзора неба и UKIRT Infrared Deep Sky Survey. Квазар выглядит как слабая красная точка вблизи центра. Мы видим его таким, каким он был всего через 770 миллионов лет после Большого взрыва.
Наблюдения были проведены в январе 2023 года, во время первого раунда наблюдений «Уэбба» (к тому времени J1120+0641 утратил статус самого далекого квазара), и длились около двух с половиной часов. Они представляют собой первое исследование квазара в среднем инфракрасном диапазоне в период космического рассвета, спустя всего 770 миллионов лет после Большого взрыва.
Руководителем анализа была исследовательница Сара Босман из Института астрономии Макса Планка (MPIA), член европейского консорциума MIRI. Наблюдения состоят из серии спектров квазара, которые дают нам целый ряд информации.
- Общая форма спектра, называемая континуумом, отражает свойства большого тора пыли, окружающего аккреционный диск квазара. Именно этот тор «питает» черную дыру, и для J1120+0641 он имеет те же характеристики, что и для более современных аналогов.
- Часть спектра с более короткими длинами волн, в которой доминирует излучение самого аккреционного диска, показывает, что для нас, далеких наблюдателей, свет от квазара не ослабляется пылью больше, чем обычно.
- С другой стороны, область более широких длин волн, где сгустки газа вращаются вокруг черной дыры со скоростью, близкой к скорости света, снова оказывается абсолютно нормальной.
Почти по всем свойствам, которые можно вывести из спектра, J1120+0641 не отличается от квазаров более поздних эпох. Единственное отличие — немного более высокая температура пыли, примерно на сотню Кельвинов выше, чем 1300 К, найденные для самой горячей пыли в менее удаленных квазарах.
Последствия
«В целом, новые наблюдения только усугубляют загадку: самые ранние квазары были на удивление нормальными«, — говорит Босман. «Независимо от того, на какой длине волны мы их наблюдаем, квазары практически идентичны во все эпохи существования Вселенной«.
Таким образом, не только сверхмассивные черные дыры, но и механизмы их роста и «питания», очевидно, уже были зрелыми в то время, когда возраст Вселенной составлял всего 5 процентов от ее нынешнего возраста. Из полученных результатов следует следующее:
- Быстрый рост первобытных черных дыр не является ответом на загадку.
- Решение о том, что мы просто переоцениваем массы черных дыр из-за дополнительной пыли, также не представляется возможным.
Исключая эти гипотезы, результаты, тем не менее, убедительно подтверждают идею о том, что сверхмассивные черные дыры с самого начала имели значительную массу, то есть возникли из больших «семян». На самом деле, первозданные сверхмассивные черные дыры не образовались из остатков первых звезд, но при этом очень быстро стали массивными. Они должны были сформироваться рано и с начальными массами не менее сотни тысяч масс Солнца, возможно, в результате коллапса массивных газовых облаков.
