Надмасивна чорна діра кидає виклик космічним теоріям

Зображення JWST показують надмасивну чорну діру в ранньому Всесвіті, помітну своїми величезними розмірами порівняно з головною галактикою та закриту густим пилом.

Аналізуючи зображення космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST), група астрономів під керівництвом доктора Лукаса Фуртака та професора Аді Зітріна з Університету Бен-Гуріона в Негеві виявила надзвичайно червону надмасивну чорну діру з гравітаційними лінзами в ранньому Всесвіті. . Його кольори вказують на те, що чорна діра лежить за густою пеленою пилу, яка закриває більшу частину її світла. Команді вдалося виміряти масу чорної діри та виявити, що вона була значно масивнішою порівняно з головною галактикою, ніж те, що можна було побачити на більш локальних прикладах. Знахідка була опублікована в Nature  два тижні тому.

JWST: Розкриття таємниць раннього Всесвіту

JWST, запущений два роки тому, революціонізував наш погляд на раннє формування галактик. Це призвело до виявлення дуже ранніх галактик із більшою чисельністю та більшою яскравістю, ніж передбачалося раніше, і виявило деякі нові типи об’єктів.

Відкриття, схоже на квазар

Група астрономів виявила на зображеннях JWST те, що, здавалося, було лінзованим квазароподібним об’єктом із раннього Всесвіту. Квазари — це яскраві активні галактичні ядра: надмасивні чорні діри в центрах галактик, які активно накопичують матеріал.

Сила гравітаційного лінзування

Аккреція матеріалу на чорну діру випромінює велику кількість випромінювання, яке засвічує головну галактику, що призводить до компактної та яскравої зіркоподібної галактики. Зображення JWST, на яких Фуртак і Зітрін ідентифікували об’єкт, були зроблені для програми UNCOVER (ІП: Іво Лаббе з Технологічного університету Свінберна та Рейчел Безансон з Піттсбурзького університету), яка зробила зображення поля скупчення галактик, Абель 2744, на безпрецедентну глибину. Оскільки скупчення містить велику кількість маси, воно згинає простір-час — або шляхи світлових променів, що проходять поблизу нього — ефективно створюючи гравітаційну лінзу. Гравітаційна лінза збільшує фонові галактики позаду неї та дозволяє астрономам спостерігати навіть більш віддалені галактики, ніж це можливо іншим чином.

Феномен червоної точки

«Ми були дуже раді, коли JWST почав надсилати свої перші дані. Ми сканували дані, які надійшли для програми UNCOVER, і три дуже компактні, але квітучі червоним об’єкти помітно виділялися та привернули нашу увагу», – говорить доктор Лукас Фуртак, докторант BGU та провідний автор документів про відкриття. «Їхній вигляд «червоної крапки» одразу змусив нас запідозрити, що це квазароподібний об’єкт».

Розгадка таємниці

Фуртак разом з групою UNCOVER почали досліджувати об’єкт. «Ми використали чисельну модель лінзування, яку ми побудували для скупчення галактик, щоб визначити, що три червоні крапки мали бути кількома зображеннями того самого фонового джерела, яке було видно, коли Всесвіту було лише близько 700 мільйонів років», — говорить професор Зітрин, астроном з BGU і один із провідних авторів документів про відкриття.

Надмасштабний прорив

«Аналіз кольорів об’єкта показав, що це не типова галактика, де утворюються зірки. Це додатково підтвердило гіпотезу про надмасивну чорну діру», — каже професор Рейчел Безансон з Піттсбурзького університету та співкерівник програми UNCOVER. «Разом з її компактними розмірами стало очевидно, що це, ймовірно, надмасивна чорна діра, хоча вона все ще відрізнялася від інших квазарів, знайдених у ті ранні часи», — додав професор Безансон. Відкриття унікального червоного і компактного об’єкта було опубліковано минулого року в  Astrophysical Journal . Але це був лише початок історії.

Спектральні ідеї та сюрпризи

Потім команда отримала дані JWST/NIRSpec трьох зображень «червоної точки» та проаналізувала дані. «Спектри були просто приголомшливими, — каже професор Іво Лаббе з Технологічного університету Свінберна та співкерівник програми UNCOVER. — Завдяки поєднанню сигналу від трьох зображень разом із збільшенням лінзи отриманий спектр є еквівалентним. до ~1700 годин спостережень JWST на об’єкті без лінзи, що робить його найглибшим спектром, отриманим JWST для одного об’єкта в ранньому Всесвіті», – каже професор Лаббе.

«Використовуючи спектри, нам вдалося не тільки підтвердити, що червоний компактний об’єкт був надмасивною чорною дірою, і виміряти її точне червоне зміщення, але також отримати точну оцінку його маси на основі ширини його емісійних ліній», — говорить провідний автор доктор. Фуртак. «Газ обертається в гравітаційному полі чорної діри і досягає дуже високих швидкостей, які не спостерігаються в інших частинах галактик. Через доплерівський зсув світло, випромінюване матеріалом, що накопичується, зміщується в червоний колір з одного боку та в синій з іншого боку відповідно до його швидкості. Це призводить до того, що лінії випромінювання в спектрі стають ширшими».

Затьмарена галактика

Але вимірювання призвело до ще одного сюрпризу, опублікованого в  Nature два тижні тому: маса чорної діри здається надмірно високою порівняно з масою господарської галактики.

«Весь світло цієї галактики має поміститися в крихітну область розміром із сучасне зоряне скупчення. Збільшення джерела за допомогою гравітаційної лінзи дало нам чіткі обмеження на розмір. Навіть зібравши всі можливі зірки в таку невелику область, чорна діра в кінцевому підсумку становитиме принаймні 1% від загальної маси системи», — каже професор Дженні Грін з Прінстонського університету та один із провідних авторів нещодавньої статті. «Насправді було виявлено, що кілька інших надмасивних чорних дір у ранньому Всесвіті демонструють подібну поведінку, що призводить до деяких інтригуючих поглядів на зростання чорної діри та головної галактики, а також взаємодії між ними, яка недостатньо зрозуміла».

Космічна дилема курки та яйця

Астрономи не знають, чи такі надмасивні чорні діри виростають, наприклад, із залишків зірок чи, можливо, з матеріалу, який безпосередньо колапсував у чорні діри в ранньому Всесвіті.

«У певному сенсі це астрофізичний еквівалент проблеми курки та яйця», — каже професор Зітрин. «Наразі ми не знаємо, що з’явилося першим – галактика чи чорна діра, наскільки масивними були перші чорні діри та як вони виросли».

Майбутні ідеї від JWST

Оскільки нещодавно за допомогою JWST було виявлено ще багато таких «маленьких червоних крапок» та інших активних галактичних ядер, сподіваємося, незабаром ми матимемо кращу ідею.