Используя космический телескоп «Джеймс Уэб б» (JWST), астрономы на обнаружили сверхмассивную чёрную дыру, которая кажется невероятно массивной для своего времени. Не похоже, что во времена «космического рассвета» эта чёрная дыра могла питаться большим количеством окружающей материи — но, чтобы достичь своих огромных размеров, она должна была быть «прожорливой».
Сверхмассивная чёрная дыра, питающая квазар в центре галактики J1120+0641, была видна такой, какой она была, когда возраст Вселенной составлял всего около 5% от её нынешнего возраста. Её масса более чем в миллиард раз превышает массу Солнца.
Хотя относительно легко объяснить, как более близкие и, следовательно, более поздние сверхмассивные чёрные дыры выросли до миллиардов солнечных масс, процессы слияния и питания, которые способствуют такому росту, займут около миллиарда лет. Это означает, что обнаружение сверхмассивных чёрных дыр, существовавших до того, как Вселенной возрастом 13,8 миллиардов лет исполнился миллиард лет, является настоящей дилеммой.
С момента начала работы летом 2022 года телескоп JWST показал себя особенно эффективным в обнаружении чёрных дыр на рассвете Вселенной. Одна из теорий заключается в том, что эти чёрные дыры имели «ультраэффективный режим питания». Однако наблюдения JWST за сверхмассивной чёрной дырой в J1120+0641 не выявили особенно эффективного механизма питания исходя из распределения материале в непосредственной близости от неё. Это открытие ставит под сомнение сверхбыстрый механизм питания сверхмассивной чёрной дыры и означает, что учёные могут знать меньше о ранней эволюции Вселенной, чем они предполагали.
«Новые наблюдения только усугубляют загадку: ранние квазары были шокирующе нормальными. Независимо от того, на каких длинах волн мы их наблюдаем, квазары почти идентичны во все эпохи существования Вселенной», — заявила руководитель группы и постдокторант Института астрономии Макса Планка (MPIA) Сара Босман.
За последние 13,8 миллиардов лет галактики увеличивались в размерах за счёт приобретения массы либо за счёт поглощения окружающего газа и пыли, поглощения меньших галактик, либо слияния с более крупными галактиками.
Около 20 лет назад, еще до того, как JWST и другие телескопы начали обнаруживать сверхмассивные чёрные дыры в ранней Вселенной, астрономы предполагали, что сверхмассивные чёрные дыры в сердцах галактик постепенно росли с процессами, которые привели к росту галактик.
На самом деле существуют пределы того, насколько быстро может расти черная дыра. Из-за сохранения углового момента материя не может упасть прямо в чёрную дыру. Вместо этого вокруг чёрной дыры образуется «сплющенное» облако материи, называемое аккреционным диском. Кроме того, огромная гравитация центральной чёрной дыры порождает мощные приливные силы, которые создают турбулентные условия в аккреционном диске, нагревая его и заставляя его излучать свет по всему электромагнитному спектру. Эти выбросы настолько яркие, что часто затмевают свет звёзд в окружающей галактике. Области, в которых все это происходит, называются квазарами, и они представляют собой некоторые из самых ярких объектов.
Эта яркость имеет и другую функцию. Несмотря на отсутствие массы, свет оказывает давление. Это означает, что свет, испускаемый квазарами, толкает окружающую материю. Чем быстрее чёрная дыра, питающая квазар, питается, тем больше давление излучения и тем больше вероятность того, что чёрная дыра истощит свой источник питания и перестанет расти. Точка, в которой чёрные дыры или любой другой аккретор начинают «голодать», отталкивая окружающую материю, известна как «предел Эддингтона».
Это означает, что сверхмассивные чёрные дыры не могут просто питаться и расти неограниченно быстро. Таким образом, поиск сверхмассивных чёрных дыр с массой, равной 10 миллиардам солнц, в ранней Вселенной, особенно менее чем через миллиард лет после Большого взрыва, является настоящей загадкой. Астрономам необходимо больше узнать о ранних квазарах, чтобы определить, могли ли ранние сверхмассивные чёрные дыры преодолеть предел Эддингтона и стать так называемыми «сверхэддингтоновскими аккреторами».
Для этого в январе 2023 года команда сфокусировала прибор среднего инфракрасного диапазона JWST (MIRI) на квазаре в центре J1120+0641, расположенном на расстоянии 13 миллиардов световых лет от Земли и видимом всего через 770 миллионов лет после Большого Взрыва. Это исследование представляет собой первое исследование квазара в среднем инфракрасном диапазоне, существовавшего на заре Вселенной.
Спектр этой ранней сверхмассивной чёрной 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 чёрную дыру.
Наблюдения MIRI за этим квазаром показали, что космическая «цепочка поставок» функционирует аналогично цепочке «современных» квазаров, расположенных ближе к Земле, которые, следовательно, существуют в более поздние эпохи Вселенной. Это плохие новости для сторонников теории о том, что улучшенный механизм питания привел к быстрому росту ранних чёрных дыр.
Кроме того, измерения области вокруг сверхмассивной чёрной 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 чёрными дырами, которые видны ближе к Земле.
Исследование отдаёт предпочтение другому методу раннего роста сверхмассивных чёрных дыр, который предполагает, что эти космические титаны получили «фору» в ранней Вселенной, образовавшись из «семян» чёрных дыр, которые уже были массивными. Эти тяжёлые «семена» имели массу по крайней мере в сто тысяч раз больше массы Солнца, образовавшись непосредственно в результате коллапса ранних и массивных облаков газа.