JWST показал, как росла сверхмассивная черная дыра в молодой Вселенной

Телескоп «Джеймс Уэбб» получил одно из самых четких изображений того, как сверхмассивная черная дыра росла в скоплении молодых галактик. Компактная активная галактика, которую увидели через миллиард лет после Большого взрыва, находится рядом с филаментом длиной 12 000 парсек, содержащим несколько галактик, которые сольются через несколько сотен миллионов лет. Эту информацию сообщает сайт Phys.org.

Результаты, опубликованные на сервере препринтов arXiv 6 июля, показывают, что астрономы, возможно, наблюдают короткую фазу в эволюции быстрорастущих черных дыр. С начала работы JWST ученые нашли популяцию компактных активно питающихся черных дыр в галактиках первого миллиарда лет Вселенной. Многие из них оказались слишком массивными для своих галактик — в 10–100 раз тяжелее ожидаемого.

Конкретная черная дыра в галактике GN-77652, наблюдаемая на красном смещении 5,23, весит около 11 миллионов солнечных масс. Ее галактика содержит всего около 170 миллионов солнечных масс звезд, что примерно в 300 раз превышает ожидаемое соотношение между черной дырой и галактикой в современной Вселенной.

Команда под руководством Джулии Тоцци из Института внеземной физики Макса Планка использовала спектрограф NIRSpec и камеру NIRCam телескопа JWST для детального картирования области вокруг GN-77652. Они обнаружили бурное окружение: четыре дополнительных галактических сгустка газа и звезд (B, C, D и E) на том же красном смещении, разбросанных вдоль филамента на расстояниях от 2,4 до 11,6 килопарсек от GN-77652.

Интересно, что GN-77652 — не самая массивная галактика в группе. Источники B и D в 10 раз тяжелее по звездной массе. Газ во всей структуре сходится к источнику B, что указывает на возможное слияние всей системы в одну галактику. Пять источников различаются по звездной массе, темпу звездообразования и химическому обогащению на порядок, что говорит о разных стадиях эволюции.

Сама GN-77652 показывает пологий градиент скорости, согласующийся с небольшим вращающимся газовым диском. Команда объясняет, что эта особенность, подтвержденная лишь у нескольких компактных хозяев черных дыр, «согласуется с доминирующим гравитационным движением» — тем же паттерном, что и у обычных звездообразующих галактик на этих красных смещениях.

Самый поразительный результат — источник B, находящийся всего в 2,4 килопарсека от GN-77652. Диагностические отношения эмиссионных линий там указывают на ионизацию газа чем-то более энергичным, чем звездный свет. Команда рассчитала, что необходимая падающая светимость более чем в 100 раз превышает то, что может обеспечить черная дыра GN-77652, что указывает на вторую, отдельную черную дыру в B. Если это подтвердится, это будет одна из немногих известных двойных черных дыр на таком малом расстоянии в ранней Вселенной.

Команда также проверила, могла ли черная дыра GN-77652 образоваться путем «прямого коллапса» — когда плотное газовое облако коллапсирует прямо в массивную черную дыру, минуя стадию звезд. Измеренное излучение филамента оказалось чуть ниже интенсивности, необходимой для такого процесса. Исследователи отмечают, что более сильное излучение могло быть в более ранние времена, или возможны другие объяснения — например, что черная дыра GN-77652 является первичной или была выброшена из соседней галактики гравитационным взаимодействием.

Основываясь на расстояниях и массах, команда рассчитала, что все скопление галактик сольется в одну за 150–440 миллионов лет. Моделирование роста черной дыры и звездной массы в слившейся системе показывает, что их соотношение станет гораздо ближе к тому, что наблюдается в типичных галактиках сегодня. Команда заключает, что компактный, сверхмассивный вид GN-77652, вероятно, представляет собой короткую эволюционную фазу, что согласуется с общей тенденцией: такие объекты становятся реже на меньших красных смещениях по мере старения Вселенной. Для подтверждения второй черной дыры в источнике B потребуется последующая спектроскопия JWST с большим разрешением.