Хаббл нашел «недостающее звено» в происхождении сверхмассивных черных дыр

Астрономы изо всех сил пытались понять появление сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной с момента открытия этих объектов на расстояниях, протянувшихся всего на 750 миллионов лет назад после Большого взрыва. Понимание того, как сверхмассивные черные дыры формируются и растут в ранней Вселенной, стало серьезной проблемой. Теории и компьютерное моделирование предсказывают быстрый рост черных дыр в первых пылевых звездообразующих галактиках, но до сих пор они не наблюдались. Недавно астрономы обнаружили уникальный объект в ранней, далекой Вселенной в архивных данных космического телескопа НАСА «Хаббл» и других космических и наземных обсерваторий. Считается, что она является недостающим звеном между звездообразующими галактиками и появлением квазаров — сверхмассивных черных дыр, аккрецирующих большое количество газа.

Квазар, образовавшийся очень рано во Вселенной, ярче тысяч галактик. Он излучает титаническое количество энергии в виде луча размером в миллионы миллиардов километров. Однако его размер эквивалентен всего нескольким солнечным системам (нашей), расположенным рядом друг с другом.

Именно в 1963 году голландский астроном Маартен Шмидт определил и измерил расстояние до квазара. С помощью больших телескопов было замечено около 130 000 квазаров. Это позволило предположить, что в их центре находится сверхмассивная черная дыра, представляющая почти всю ее массу: от нескольких миллионов до нескольких миллиардов масс Солнца. Вещество вблизи черной дыры с большой скоростью вращается вокруг нее и образует аккреционный диск. Этот вихревой диск из материи и газа выделяет огромное количество тепла за счет трения. Часть этого тепла ускоряется к горизонту черной дыры, которая захватывает его. Поскольку из черной дыры ничего не выходит, за излучение света отвечает материя диска. Именно из своего ядра квазар черпает энергию и силу.

Считается, что квазары, подпитываемые материей, падающей в сверхмассивную черную дыру, образовались в самом начале истории Вселенной, всего через 700-800 миллионов лет после Большого взрыва. Ученые полагают, что они развились из сверхмассивных черных дыр в пылевых галактиках — классе галактик, появление которых на ранней стадии также было подтверждено. Но до сих пор не было прямых доказательств, связывающих эти два явления, чтобы понять, как сверхмассивные черные дыры формируются и растут в ранней Вселенной.

Это было сделано с помощью данного открытия на архивных снимках «Хаббла», среди которых астрономы указали на один конкретный объект, названный GNz7q. Считается, что это первая быстрорастущая черная дыра, обнаруженная в ранней Вселенной, и, следовательно, «недостающее звено» для их происхождения. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Сверхмассивная черная дыра на виду у всех

Исследователи нашли доказательства недостающего звена, проанализировав архивные данные космического телескопа Хаббла для области неба, известной как Северное поле Хаббла в созвездии Большой Медведицы. Это поле широко изучалось Хабблом и другими телескопами.

Команда заметила объект, названный GNz7q, который, по-видимому, является черной дырой, только начинающей доминировать над галактикой-хозяином в процессе превращения в квазар. Дополнительные архивные данные, включая данные телескопа Субару, который может видеть в инфракрасном диапазоне длин волн дальше, чем Хаббл, позволили астрономам отличить черную дыру от галактики-хозяина. Изучение компактного ультрафиолетового излучения из аккреционного диска черной дыры помогло им определить, что GNz7q существовал всего 750 миллионов лет после Большого взрыва.

Габриэль Браммер, астроном из Института Нильса Бора в Копенгагенском университете и соавтор исследования, заявил в своем заявлении: «GNz7q — уникальная находка прямо в центре известного и хорошо изученного небесного поля. Маловероятно, что обнаружение GNz7q в относительно небольшом районе исследования GOODS-North было случайностью, скорее распространенность таких источников на самом деле намного выше, чем предполагалось«.

Другими словами, возможно, существует гораздо больше случайно упущенных из виду черных дыр, которые находятся в стадии формирования и ждут своего открытия. GNz7q также может помочь ученым решить еще более важную задачу: выяснить происхождение сверхмассивных черных дыр.

Недостающее звено, ключ к происхождению сверхмассивных черных дыр

Как было сказано выше, ученые считают, что сверхмассивные черные дыры зарождаются в пылевых ядрах звездообразующих галактик, т.е. галактик, которые очень быстро производят звезды. Затем, поглощая всю пыль и газ из этих галактик, черная дыра, по-видимому, получает много тепла и в конечном итоге превращается в чрезвычайно яркий квазар или сверхмассивную черную дыру. Все эти шаги дают очень специфические спектры излучения в соответствии с моделированием, спектры, которые мы можем попытаться обнаружить, связанные с очень старыми галактиками.

Сейджи Фуджимото, астроном из Института Нильса Бора при Копенгагенском университете и ведущий автор статьи, поясняет: «Наш анализ позволяет предположить, что GNz7q — это первый пример быстрорастущей черной дыры в пылевом ядре звездообразующей галактики в период, близкий к моменту появления самой старой из известных сверхмассивных черных дыр во Вселенной. Свойства объекта в электромагнитном спектре прекрасно согласуются с предсказаниями теоретического моделирования.«

Галактика, в которой находится GNz7q, образует звезды со скоростью 1600 солнечных масс звезд в год, а сама GNz7q кажется яркой в ультрафиолетовом диапазоне, но очень слабой в рентгеновском диапазоне. Более того, ее краснота в обзоре GOODS-North, вероятно, является результатом покраснения света квазара из-за сгорающей пыли. Команда интерпретировала это как предположение, что GNz7q действительно является домом для быстро растущей черной дыры. В частности, эти результаты предполагают, что ядро ​​аккреционного диска, из которого исходит рентгеновское излучение, все еще скрыто; в то время как внешняя часть аккреционного диска, откуда исходит УФ-свет, проясняется. Он добавляет: «GNz7q устанавливает прямую связь между этими двумя редкими популяциями и предлагает новый способ понять быстрый рост сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной«.

Исследование неба с помощью телескопа Джеймса Уэбба

Обнаружение GNz7q, скрытого от посторонних глаз, стало возможным только благодаря уникальному и подробному набору многоволновых данных, доступных для GOODS-North. Без такого количества данных GNz7q было бы легко не заметить, так как у него нет характерных особенностей, которые обычно используются для идентификации квазаров в ранней Вселенной. Теперь команда надеется систематически искать подобные объекты с помощью специальных обзоров высокого разрешения, а также воспользоваться преимуществами спектроскопических инструментов космического телескопа НАСА имени Джеймса Уэбба для беспрецедентно детального изучения объектов типа GNz7q.

Фудзимото заключает: «Полное описание этих объектов, более детальное изучение их эволюции и физики, лежащей в их основе, станет возможным благодаря космическому телескопу Джеймса Уэбба. После начала регулярной работы «Уэбб» сможет определять истинную частоту этих быстро растущих черных дыр«.

В заключение следует отметить, что эти данные вместе с вводом в эксплуатацию телескопа «Джеймс Уэбб» позволят нам лучше понять, как формировался и эволюционировал Млечный Путь и его сверхмассивная черная дыра.