Массовая чёрная дыра в ранней Вселенной: новые данные от телескопа JWST

Черная дыра, обнаруженная более десяти лет назад, слишком велика, чтобы легко объяснить её появление. Находясь в центре галактики J1120+0641, она имеет массу, превышающую миллиард солнечных масс. Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy.

Фото: NASA by JPL-Caltech, PDM

Сегодня вокруг нас существуют более крупные чёрные дыры, но проблема в том, что J1120+0641 существовала очень давно Менее чем через 770 миллионов лет после Большого взрыва сложно понять, как чёрная дыра могла достичь такой массы.

Галактика и ее черная дыра известны ученым более десяти лет, и у них были гипотезы о том, как она могла образоваться. Однако наблюдения с использованием телескопа JWST опровергли одну из этих гипотез. По всем стандартам J1120+0641 выглядит "шокирующе нормальной", оставляя открытыми более экзотические объяснения ее огромной массы.

Открытие J1120+0641 было объявлено в 2011 году, и в течение нескольких лет она оставалась самой далекой из известных квазарных галактик. Она казалась исключением, и одно возможное объяснение ее размера все еще остается актуальным.

Квазарные галактики — это галактики, в центре которых находится сверхмассивная черная дыра, активно поглощающая окружающий газ и пыль. Это трение и гравитация нагревают материал, заставляя его ярко сиять.

Однако скорость, с которой чёрная дыра может поглощать материал, небезгранична. Максимальная стабильная скорость определяется пределом Эддингтона, за которым излучение становится настолько мощным, что отталкивает материал, препятствуя его дальнейшему поглощению черной дырой.

Черные дыры могут на короткое время превышать этот предел и поглощать большое количество материала, прежде чем давление излучения начнет мешать этому процессу. Это одно из возможных объяснений существования черной дыры в центре J1120+0641 и других крупных черных дыр в ранней Вселенной.

Для поиска признаков суперэддингтоновской аккреции астрономам нужны данные высокого разрешения, чтобы провести детальный анализ света галактики. Для этого необходим JWST, самый мощный космический телескоп, созданный для наблюдения за далёкими уголками космоса и времени.

JWST наблюдал за галактикой в начале 2023 года. Группа под руководством астронома Сары Босман из Института астрономии Общества Макса Планка в Германии проанализировала свет, собранный телескопом, чтобы составить каталог свойств материала вокруг черной дыры: огромного пылевого тора и светящегося диска, питающего черную дыру.

Анализ показал, что черная дыра питается вполне нормально — нет ничего необычного в ее аккреции по сравнению с другими, более поздними квазарными галактиками.

Одно из возможных объяснений таких гигантских черных дыр заключается в том, что излишняя пыль могла привести астрономов к переоценке их масс. Однако дополнительных признаков пыли не обнаружено.

Таким образом, J1120+0641 оказывается обычной квазарной галактикой с черной дырой, которая питается на нормальной скорости. Черная дыра и способ ее питания были уже относительно зрелыми к моменту наблюдения, всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.

"В целом, новые наблюдения только добавляют загадки: ранние квазары были шокирующе нормальными", — говорит Босман. "Независимо от того, на каких длинах волн мы их наблюдаем, квазары практически идентичны во все эпохи Вселенной".

Это означает, что суперэддингтоновская аккреция не является решением проблемы роста гигантских черных дыр в ранней Вселенной.

Другое возможное объяснение заключается в том, что черные дыры изначально образовывались из крупных "семян". Вместо медленного роста из звездных объектов, эта теория предполагает, что черные дыры формировались из коллапса массивных сгустков материи или чрезвычайно огромных звезд, чья масса в сотни тысяч раз превышала массу Солнца, что дало им фору для роста.

Поскольку мы находим все больше этих гигантских черных дыр в ранней Вселенной, это объяснение кажется наиболее вероятным из возможных.