Джеймс Уэбб опроверг традиционную модель: в ранней Вселенной черная дыра возникла раньше родной галактики

Международная группа астрономов под руководством Роберто Майолино с помощью телескопа Джеймс Уэбб (JWST) обнаружила, что одна сверхмассивная черная дыра в ранней Вселенной сформировалась до того, как вокруг нее возникла галактика. Результаты исследования опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Сверхмассивные черные дыры, которые находятся в центрах большинства галактик, включая наш Млечный Путь, давно ставят астрономов в тупик. Согласно современным моделям, черные дыры возникают из остатков взрывов сверхновых, когда массивные звезды заканчивают свой жизненный путь. Затем они могут расти, поглощая газ из окружающих аккреционных дисков, но их скорость роста ограничена так называемым пределом Эддингтона.

За этой границей давление излучения превышает гравитационное притяжение, и материя выбрасывается в космос. Проблема в том, что сверхмассивные черные дыры наблюдаются уже через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, что слишком рано для их формирования при таких ограничениях.

Роберто Майолино поясняет, что существуют альтернативные сценарии: небольшие черные дыры-семена могли проходить через фазы экстремально быстрого роста, черные дыры промежуточной массы могли формироваться в результате слияний в плотных звездных системах, или же черные дыры могли рождаться уже массивными. В последнем случае речь идет либо о прямом коллапсе огромных облаков материи, что было возможно только в экстремальных условиях ранней Вселенной, либо о первичных черных дырах, впервые предложенных Стивеном Хокингом.

Чтобы проверить эти гипотезы, команда Майолино провела детальный анализ объекта QSO1 — сверхмассивной черной дыры, существовавшей, когда возраст Вселенной составлял около 700 миллионов лет. Этот объект относится к классу Little Red Dots (маленькие красные точки), загадочным источникам, которые, как считают некоторые астрономы, представляют собой первичные галактики с зарождающимися сверхмассивными черными дырами. QSO1 был выбран в том числе потому, что он испытывает гравитационное линзирование от скопления галактик на переднем плане, что увеличивает количество его света, попадающего к нам, и фактически служит естественной лупой.

Для достижения максимального разрешения ученые использовали режим интегрального поля, фиксируя спектры в каждой точке небольшого участка неба. Высокое пространственное и спектральное разрешение позволило разрешить сферу влияния черной дыры, где движение газа определяется ее гравитацией, и напрямую измерить массу черной дыры. Те же данные дали возможность измерить излучение от ионизированного водорода и кислорода, что раскрыло химический состав газа вокруг черной дыры.

Первые химические элементы после Большого взрыва представляли собой исключительно водород, гелий и следы лития. Более тяжелые элементы могут образовываться только в результате ядерного синтеза внутри звезд, а затем разбрасываться в пространство при взрывах сверхновых. В случае QSO1 ученые обнаружили, что черная дыра находится в среде с крайне низким химическим обогащением.

А именно, содержание кислорода относительно водорода составляет менее одного процента от значения, измеренного на Солнце, что указывает на почти первичный состав. Это означает, что вокруг QSO1 сформировалось очень мало звезд, и черная дыра, вероятно, гораздо массивнее, чем система вокруг нее.

В совокупности эти данные указывают на сценарий, в котором черная дыра сформировалась прежде основной массы своей галактики, а не росла внутри уже существующей галактики, как традиционно предполагалось. Из всех рассмотренных сценариев этот вывод ближе всего к модели тяжелого семени, когда черные дыры рождаются уже очень массивными. Команда ученых надеется, что их результат проложит путь к долгожданному прорыву в понимании того, как именно образовались первые сверхмассивные черные дыры.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях