Веб Телес, НАСА, розкрив чорну діру, яка сформувалася раніше за свою галактику

Що з’являється першим: галактика чи чорна діра? Ми не знаємо, але вчені довго вважали, що це може бути галактика. Великі зорі в існуючій галактиці споживають своє паливо і колапсують, утворюючи чорні діри. Ці чорні діри можуть поглинати навколишній матеріал і з часом зливатися, формуючи масивніші об’єкти.

Однак важко пояснити, як чорні діри, масою від мільйонів до мільярдів Сонць, тисячі з яких виявлено в ранньому Всесвіті, могли так швидко вирости з таких малих «насінин». 

Наразі дослідники, використовуючи космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST) від NASA, отримали чіткі докази того, що деякі надмасивні чорні діри були величезними від самого початку. Вони сформувалися без фази зоряного колапсу та без значно масивнішої галактики-господаря, яка б їх живила.

«Це надзвичайне відкриття», — зазначив Роберто Маіліно з Кембриджського університету (Велика Британія), співавтор досліджень, опублікованих у журналах Nature та Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. «Це зміна парадигми, повне переосмислення класичних сценаріїв формування та зростання чорних дір».

Маленька червона цятка QSO1

Висновки команди ґрунтуються на детальних спостереженнях Abell2744-QSO1 (QSO1), прототипової «Маленької червоної цятки», яка існувала лише через 700 мільйонів років після Великого вибуху.

Хоча QSO1 має діаметр лише 1300 світлових років, а її світло подорожувало понад 13 мільярдів років, її легше вивчати, ніж більшість інших «Маленьких червоних цяток». Це пов’язано з гравітаційним лінзуванням галактичним скупченням Abell 2744 (Скупчення Пандори). QSO1 збільшена та тричі зображена, з’являючись у трьох різних місцях на небі.

Попередні дослідження QSO1 виявили переконливі докази того, що вона може бути не чим іншим, як хмарою світіння водню та гелію, що обертається навколо надмасивної чорної діри, оціночна маса якої становить 40 мільйонів сонячних мас. Але, як і у випадку з іншими ранніми чорними дірами, виявленими Веббом, існувала невизначеність щодо її справжньої маси.

«До цього всі вимірювання маси чорних дір у ранньому Всесвіті були непрямими. Вони базувалися на припущеннях, виведених з того, що ми знаємо про них у локальному Всесвіті. Ми не знали, чи застосовні ці припущення до далекого Всесвіту», — сказав співавтор Франческо Д’Еугеніо, також з Кембриджського університету.

Зображення: Маленька червона цятка Abell2744-QSO1 (зображення NIRCam)

Картографування складу та швидкості газу

Команда зрозуміла, що якщо чорна діра QSO1 настільки масивна, як здається, вони зможуть використати інтегральний польовий прилад (IFU) на спектрографі ближнього інфрачервоного діапазону (NIRSpec) телескопа Вебба. Це дозволить відстежити вплив її гравітації на газ, що обертається навколо неї, а також нанести на карту розподіл різних елементів у газі.

Аспірант Кембриджського університету Ігнас Юоджбаліс та Козімо Марчінчіні з Флорентійського університету, головні автори одного з досліджень, використали дані IFU для картування руху водневого газу навколо чорної діри. Побудувавши графік швидкості обертання залежно від відстані від центру, вони виявили, що газ має кеплерівський рух. Він обертається навколо центральної точки так само, як планети нашої Сонячної системи обертаються навколо Сонця.

«Це важливо, тому що це свідчить про те, що більша частина маси QSO1 зосереджена в чорній дірі в центрі», — сказав Юоджбаліс. «Якби маса була розподілена більш рівномірно, як це було б у випадку великої кількості зір, газ не мав би такого ідеального кеплерівського обертання».

Оскільки кеплерівський рух підпорядковується простим законам гравітації, команда змогла безпосередньо розрахувати масу чорної діри, використовуючи вимірювання швидкості газу. Це досягнення раніше було неможливим.

Вони виявили, що чорна діра не тільки величезна — приблизно 50 мільйонів сонячних мас, — але й становить щонайменше дві третини загальної маси QSO1. Ця пропорція в тисячі разів більша, ніж у сусідніх галактиках, де надмасивні чорні діри становлять лише незначну частку загальної маси галактики-господаря.

Карти складу, отримані за допомогою IFU, підтвердили ці результати. Вони показали, що газ у QSO1 майже повністю складається з водню та гелію, з дуже малою кількістю важчих елементів, таких як кисень. Такий склад очікувався б у галактиці, багатій зорями та зоряним залишком. З металічністю менше 0,5% від Сонячної, QSO1 є одним із найчистіших галактичних середовищ, коли-небудь виміряних.

«Це феноменальний результат», — сказав Маіліно. «Це перше пряме вимірювання маси чорної діри протягом першого мільярда років після Великого вибуху, і воно узгоджується з попередніми вимірюваннями». Команда вважає це добрим знаком того, що припущення, використані для непрямих вимірювань маси, є обґрунтованими, і маси інших чорних дір у ранньому Всесвіті не були переоцінені. 

Походження надмасивних чорних дір

Надмірна маса QSO1 порівняно з її галактикою-господарем свідчить про те, що вона не могла утворитися поступово з набагато менших чорних дір зоряної маси шляхом злиття та поглинання. «Здається, ми виявили чорну діру, яка не має значної галактики-господаря і передувала зоряним процесам», — сказав Юоджбаліс. «Це дуже захоплююче, оскільки це свідчення на користь первинних чорних дір або чорних дір прямого колапсу, які були теоретизовані, але не підтверджені».

Незалежно від того, чи еволюціонувала чорна діра QSO1 з «важкого насіння», що утворилося протягом першої секунди після Великого вибуху, чи дещо пізніше внаслідок колапсу гігантської газової хмари, вона майже напевно була народжена великою. Можливо, вона перебуває на ранніх стадіях формування навколо себе галактики.

Команда вважає, що «Маленькі червоні цятки», подібні до QSO1, не могли бути рідкістю в ранньому Всесвіті. Зараз команда аналізує подібні об’єкти, щоб з’ясувати, чи справді надмасивні чорні діри передують галактикам, у яких вони зараз перебувають.

Космічний телескоп Джеймса Вебба є провідною світовою обсерваторією космічної науки. Вебб розв’язує таємниці нашої Сонячної системи, заглядає далі — до далеких світів навколо інших зір, а також досліджує загадкові структури та походження нашого Всесвіту і нашого місця в ньому. Вебб — це міжнародна програма, керована NASA за участі партнерів — ЄКА (Європейське космічне агентство) та ККА (Канадське космічне агентство).

Щоб дізнатися більше про Вебб, відвідайте:

https://science.nasa.gov/webb

Завантаження та пов’язана інформація

Наступні розділи містять посилання для завантаження зображень та відео цієї статті в усіх доступних роздільних здатностях, за якими йдуть посилання на пов’язану інформацію, контактні дані для ЗМІ та, за наявності, посилання на наукову статтю та іспанський переклад.

За матеріалами: science.nasa.gov