Взрыв сверхмассивной черной дыры на Космическом Рассвете побил рекорд самой ранней черной дыры, которую мы когда-либо видели.
Его заметили в галактике, известной как UHZ1, всего через 470 миллионов лет после Большого взрыва, периода времени, когда Вселенная была еще младенцем. На самом деле, во Вселенной так рано, что черная дыра находится на стадии развития, которую мы никогда раньше не видели – ее масса аналогична массе родительской галактики, растущей вокруг нее.
Она находится так далеко – свет, который путешествовал к нам 13,2 миллиарда лет – что для ее обнаружения потребовалась объединенная мощь рентгеновской обсерватории «Чандра», космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) и причуды теории относительности, скрывающейся в темных глубинах времени и пространства.
Это открытие, по мнению группы под руководством астрофизика Акоса Богдана из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA), представляет собой ключевое доказательство способа образования сверхмассивных черных дыр, который требует прямого гравитационного коллапса огромного облака газа в сверхплотное облако, объект, который с течением времени становится все больше и больше.
«Существуют физические ограничения на то, как быстро черные дыры могут расти после того, как сформировались, но те, которые рождаются более массивными, имеют преимущество», — говорит астрофизик Энди Гулдинг из Принстонского университета. «Это похоже на посадку саженца, которому требуется меньше времени, чтобы вырасти в полноразмерное дерево, чем если бы вы начали с одного только семени».
Особенность сверхмассивных черных дыр в том, что они почти непостижимо огромны. Стрелец А*, сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути, имеет массу в целых 4,3 миллиона раз больше Солнца – и это относительно скромно, если сравнивать со сверхмассивными черными дырами.
Мы действительно не знаем, как эти объекты стали такими громоздкими, но одна вещь становится совершенно ясной: в ранней Вселенной их было гораздо больше , чем мы ожидали, и они слишком массивны, чтобы вырасти до таких размеров из нечто размером со звезду, произошедшее вскоре после Большого взрыва.
Лучший способ выяснить, что происходит, — это осмотреться и сделать выводы на основе того, что мы наблюдаем, но эту первую часть гораздо легче сказать, чем сделать.
Космический Рассвет, который охватывает первый миллиард лет или около того после Большого Взрыва, действительно очень далек, и любой свет в этих далеких пределах очень тусклый и очень красный, ослабленный расширением пространства-времени.
JWST — самый мощный космический телескоп из когда-либо созданных, и он видит Вселенную в этом красном свете. Но даже в этом случае этого недостаточно.
Чтобы обнаружить UHZ1, Богдан и его команда воспользовались причудой теории относительности, называемой гравитационной линзой. Они существуют потому, что огромная гравитация в одной точке, такая как гравитация скопления галактик, заставляет само пространство-время искривляться вокруг нее. Любой свет, проходящий через это искривленное пространство-время из более отдаленных частей Вселенной, может стать увеличенным, воспроизведенным и искаженным.
UHZ1 находится за пределами скопления галактик на расстоянии около 3,5 миллиардов световых лет от нас под названием Abell 2744 , гравитация которого вызвала четырехкратное усиление света UHZ1. Это означало, что JWST мог различать свет самой галактики; и «Чандра» смогла различить рентгеновское излучение, испускаемое газом, циркулирующим вокруг сверхмассивной черной дыры в ее центре.
С помощью этого света Богдан и его команда оценили массу как черной дыры, так и галактики вокруг нее. Если черная дыра поглощает материал с максимальной возможной скоростью, ее масса составит от 10 до 100 миллионов раз больше массы Солнца. Исследователи обнаружили, что это примерно такая же масса, как у остальных звезд в галактике UHZ1 вместе взятых.
Обычно отношение массы черной дыры к массе родительской галактики составляет около половины процента. Массы, задействованные здесь, позволяют предположить, что UHZ1 и ее черная дыра все еще находятся на очень детских стадиях — и что зародыш черной дыры, должно быть, образовался в результате прямого коллапса, а не медленной аккреции.
«Мы думаем, что это первое обнаружение «чрезмерной черной дыры» и лучшее из полученных на сегодняшний день доказательств того, что некоторые черные дыры образуются из массивных облаков газа», — говорит астрофизик Приямвада Натараджан из Йельского университета. «Впервые мы наблюдаем краткий период, когда сверхмассивная черная дыра весит примерно столько же, сколько звезды в ее галактике, прежде чем она отстанет».
Это не означает, что модель медленной аккреции не может быть верной, по крайней мере, для некоторых сверхмассивных черных дыр. Но совокупность данных свидетельствует о том, что, по крайней мере, в самой ранней Вселенной, прямой коллапс — лучший способ создать сверхмассивную черную дыру.
Тем не менее, мы едва прикоснулись к тому, что JWST может найти в ранней Вселенной. Космический Рассвет времен, несомненно, преподнесет нам еще больше сюрпризов.