Используя космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), астрономы обнаружили сверхмассивную черную дыру на «космическом рассвете», которая кажется невероятно массивной. Замешательство возникает из-за того, что, похоже, эта гигантская пустота не пировала большим количеством окружающей материи в то время — но, чтобы достичь своих колоссальных размеров, можно было бы ожидать, что она была прожорливой, когда время началось.
Питающаяся сверхмассивная черная дыра, питающая квазар в центре галактики J1120+0641, была видна такой, какой она была, когда возраст Вселенной составлял всего около 5% от ее нынешнего возраста. Его масса более чем в миллиард раз превышает массу Солнца.
Хотя относительно легко объяснить, как более близкие и, следовательно, более поздние сверхмассивные черные дыры выросли до миллиардов солнечных масс, ожидается, что процессы слияния и питания, которые способствуют такому росту, займут около миллиарда лет. Это означает, что обнаружение таких сверхмассивных черных дыр, существовавших до того, как 13,8-миллиардной Вселенной исполнился миллиард лет, является настоящей дилеммой.
С момента начала работы летом 2022 года JWST оказался особенно эффективным в обнаружении таких сложных черных дыр на космическом рассвете.
Одна из теорий раннего роста этих пустот заключается в том, что они были заняты безумным кормлением, называемым «сверхэффективным режимом питания». Однако наблюдения JWST сверхмассивной черной дыры в J1120+0641 не выявили особенно эффективного механизма питания материала в непосредственной близости от нее. Это открытие ставит под сомнение механизм роста сверхмассивных черных дыр со сверхбыстрой подачей питания и означает, что ученые могут знать о ранней эволюции космоса еще меньше, чем они предполагали.
Связанный: «Выхлопное отверстие» черной дыры Млечного Пути обнаружено в жутких рентгеновских наблюдениях
«В целом новые наблюдения только добавляют загадки: ранние квазары были шокирующе нормальными», — заявила в своем заявлении руководитель группы и научный сотрудник Института астрономии Макса Планка (MPIA) Сара Босман. «Независимо от того, на каких длинах волн мы их наблюдаем, квазары практически идентичны во все эпохи Вселенной».
Сверхмассивные черные дыры контролируют свою собственную диету
За последние 13,8 миллиардов лет космической истории галактики увеличивались в размерах за счет приобретения массы либо за счет поглощения окружающего газа и пыли, за счет поглощения меньших галактик, либо за счет слияния с более крупными галактиками.
Около 20 лет назад, до того как JWST и другие телескопы начали обнаруживать тревожные сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной, астрономы предполагали, что сверхмассивные черные дыры в центрах галактик постепенно росли в унисон с процессами, которые привели к росту галактик.
На самом деле, существуют пределы того, как быстро может расти черная дыра — ограничения, которые эти космические титаны фактически помогают установить сами.
Из-за закона сохранения углового момента материя не может упасть прямо в черную дыру. Вместо этого вокруг черной дыры образуется сплющенное облако материи, называемое аккреционным диском. Кроме того, огромная гравитация центральной черной дыры порождает мощные приливные силы, которые создают турбулентные условия в аккреционном диске, нагревая его и заставляя излучать свет во всем электромагнитном спектре. Эти выбросы настолько ярки, что часто затмевают совокупный свет каждой звезды в окружающей галактике. Области, в которых все это происходит, называются квазарами и представляют собой одни из самых ярких небесных объектов.
У этой яркости есть и еще одна функция. Несмотря на отсутствие массы, свет оказывает давление. Это означает, что свет, излучаемый квазарами, воздействует на окружающую материю. Чем быстрее черная дыра питает квазар, тем выше радиационное давление и тем больше вероятность того, что черная дыра отрежет свои собственные запасы пищи и перестанет расти. Точка, в которой черные дыры или любой другой аккретор голодают, отталкивая окружающую материю, известна как «предел Эддингтона».
Это означает, что сверхмассивные черные дыры не могут просто питаться и расти так быстро, как им хочется. Таким образом, обнаружение сверхмассивных черных дыр с массой до 10 миллиардов солнц в раннем космосе, особенно менее чем через миллиард лет после Большого взрыва, является настоящей проблемой.
Астрономам необходимо больше узнать о ранних квазарах, чтобы определить, могли ли ранние сверхмассивные черные дыры преодолеть предел Эддингтона и стать так называемыми «сверхэддингтоновскими аккреторами».
Для этого в январе 2023 года команда сосредоточила среднеинфракрасный инструмент (MIRI) JWST на квазаре в центре J1120+0641, расположенном на расстоянии 13 миллиардов световых лет и видимом всего через 770 миллионов лет после Большого взрыва. Исследование представляет собой первое среднеинфракрасное исследование квазара, существовавшего на космической заре.
Спектр света этой ранней сверхмассивной черной дыры раскрыл свойства большого кольцеобразного «тора» газа и пыли, окружающего аккреционный диск. Этот тор помогает направлять материю к аккреционному диску, откуда она постепенно подается в сверхмассивную черную дыру.
Наблюдения MIRI за этим квазаром показали, что космическая цепочка поставок функционирует аналогично цепи «современных» квазаров, расположенных ближе к Земле, которые, следовательно, существуют в более поздние эпохи Вселенной. Это плохая новость для сторонников теории о том, что усиленный механизм питания привел к быстрому росту ранних черных дыр.
Кроме того, измерения области вокруг сверхмассивной черной дыры, где материя вращается почти со скоростью света, согласуются с наблюдениями тех же областей современных квазаров.
Наблюдения JWST за этим квазаром выявили одно важное отличие между ним и его современными аналогами. Пыль в торе вокруг аккреционного диска имела температуру около 2060 градусов по Фаренгейту (1130 градусов по Цельсию), что примерно на 100 градусов горячее, чем пылевые кольца вокруг сверхмассивных квазаров, питаемых черными дырами, которые видны ближе к Земле.
Исследование отдает предпочтение другому методу раннего роста сверхмассивных черных дыр, который предполагает, что эти космические титаны получили фору в ранней Вселенной, образовавшись из «семян» черных дыр, которые уже были массивными. Эти тяжелые семена имели массу по крайней мере в сто тысяч раз больше массы Солнца, образовавшись непосредственно в результате коллапса ранних и массивных облаков газа.
Исследование группы было опубликовано 17 июня в журнале Nature Astronomy.
Первоначально опубликовано на Space.com.
