Космічний бунтівник: у далекому космосі знайшли чорну діру, що виникла раніше за її галактику

Нові деталі цього дивовижного відкриття, опубліковані у двох наукових працях, пише видання ScienceAlert. Астрономи змогли вперше безпосередньо виміряти масу цього об'єкта, що підтвердило його аномальні масштаби.

Як одна чорна діра може переписати закони космосу?

Досі астрофізики вважали, що еволюція надмасивних чорних дір відбувається за чітким і послідовним сценарієм. Усе починається з того, що масивна зоря в галактиці наприкінці свого життя колапсує, перетворюючись на чорну діру зоряної маси. З часом цей об'єкт росте, поглинаючи навколишню речовину та зливаючись з іншими подібними чорними дірами.

Оскільки галактики також стикаються та об'єднуються, їхні чорні діри зливаються разом із ними, зрештою утворюючи надмасивних гігантів із масою в мільярди сонць. Хоча точний механізм того, як саме крихітні "зародки" перетворюються на таких монстрів, залишався дещо загадковим, загальна схема здавалася зрозумілою.

Проте нові дані змушують науковців повністю переглянути цю картину. Відкриття базується на спостереженнях за об'єктом Abell2744-QSO1. Це так звана "маленька червона цятка", які астрономи почали знаходити по всьому космосу після запуску телескопа James Webb. Ця конкретна цятка існувала всього лиш через 700 мільйонів років після Великого вибуху. Попри свій крихітний розмір – лише 1300 світлових років у поперечнику – цей об'єкт став доступним для детального вивчення завдяки унікальному явищу.

Це явище називається гравітаційним лінзуванням. Працює воно так: коли на шляху світла від далекого об'єкта до Землі знаходиться величезне скупчення маси (наприклад, інша галактика чи скупчення галактик), його потужна гравітація викривляє простір навколо себе, немов гігантська лупа. Це викривлення збирає, фокусує та підсилює світло від фонового об'єкта, роблячи його набагато яскравішим і більшим для наших телескопів.

У цьому випадку роль такої космічної лінзи зіграло скупчення галактик Abell 2744, також відоме як Скупчення Пандори. Воно не лише збільшило зображення QSO1, а й потроїло його. Об'єкт розташований на відстані 13 мільярдів світлових років від Землі.

Космічний телескоп Джеймса Вебба зафіксував унікальну чорну діру / Фото ESA Webb

До цього дослідження первинні спостереження показували, що QSO1 є просто хмарою газу з надмасивною чорною дірою масою близько 40 мільйонів сонячних мас. Проте точність цих вимірювань викликала сумніви, адже астрономи раніше не стикалися з такими масивними об'єктами на настільки ранніх етапах існування Всесвіту.

Астрономам уперше вдалося виміряти його масу точно завдяки тому, що розпечений газ навколо діри кружляє за принципом звичайної каруселі. Цей рух підпорядковується простим законам гравітації – так само, як Земля та інші планети обертаються навколо Сонця. Саме таке правильне колове обертання доводить, що у самому центрі ховається один надпотужний гігант, який утримує все навколо себе.

Якби ця вага була розмита між мільйонами дрібних зірок, то космічний газ рухався б хаотично, а не утворював ідеальний космічний круг",
– прокоментував Ігнас Юоджбаліс, дослідник з Інституту космології Кавлі при Кембриджському університеті.

Щоб з'ясувати правду, дослідники використали інтегральний польовий спектрограф (IFU) на інструменті NIRSpec космічного телескопа Джеймса Вебба. Цей прилад дозволив виміряти гравітаційний вплив чорної діри на навколишній газ та скласти карту хімічних елементів у ньому.

Результати виявилися приголомшливими: маса чорної діри становить 50 мільйонів сонячних мас – на 10 мільйонів більше, ніж вважалося раніше. Ба більше, ця чорна діра становить величезну частку від загальної маси своєї галактики, чого ніколи не спостерігається в сучасному Всесвіті.

QSO1 лежить на порядки вище локальних співвідношень масштабування і є приблизно на 1 декс масивнішим, ніж навіть найекстремальніші джерела, знайдені досі,
– пишуть автори дослідження у статті для Nature.

Нові вимірювання доводять, що чорні діри не ростуть у тому впорядкованому, ієрархічному порядку, який раніше вважався єдино можливим. Вони здатні випереджати у розвитку свої власні галактики.

Це визначне відкриття. Це зміна парадигми, повний перегляд класичних сценаріїв того, як чорні діри формуються та ростуть!
– каже Роберто Майоліно, професор Кавендіської лабораторії Кембриджа та Інституту космології Кавлі.

Досі всі підрахунки ваги чорних дір у ранньому Всесвіті були приблизними – вчені будували здогадки на базі того, що бачили навколо Землі. Проте з об'єктом QSO1 усе інакше.

Досі всі вимірювання маси чорних дір у ранньому Всесвіті були непрямими, заснованими на припущеннях про те, що ми знаємо про них у локальному Всесвіті. Ми не знали, чи дійсно ці припущення застосовні до далекого Всесвіту,
– додав Франческо Д'Еухеніо, співавтор дослідження з Кембриджського університету.

Незалежно від того, чи чорна діра QSO1 еволюціонувала з "важкого насіння", що утворилося протягом першої секунди Великого вибуху, чи дещо пізніше внаслідок колапсу гігантської хмари газу, вона майже напевно народилася великою і, можливо, перебуває на ранніх стадіях формування галактики навколо себе.

Команда дослідників вважає, що маленькі червоні цятки, такі як QSO1, не могли бути рідкістю у ранньому Всесвіті, і зараз аналізує подібні об'єкти, щоб з'ясувати, чи справді надмасивні чорні діри передують галактикам, де вони зараз знаходяться.