Джеймс Уэбб обнаружил карликовые галактики, где черные дыры составляют до 60% массы

Международная группа астрономов под руководством Эдуардо Яни, аспиранта Австрийского института науки и технологий, обнаружила две карликовые галактики, в которых сверхмассивные черные дыры составляют до 60% от массы своих галактик, что опровергает современные представления о росте галактик и черных дыр. Результаты исследования, основанные на данных телескопа JWST, приняты к публикации в журнале Astronomy and Astrophysics и доступны на сервере препринтов arXiv.

Телескоп Джеймс Уэбб (JWST) продолжает революционизировать представления астрономов о ранней Вселенной, и новое исследование добавляет важный штрих к картине эволюции галактик. Долгое время считалось, что масса сверхмассивной черной дыры в галактике составляет не более 0,1–0,5% от массы самой галактики, и эти объекты не играют роли «опоры» для звездных систем, а являются их сравнительно небольшой частью. Однако глубокие инфракрасные наблюдения космического телескопа имени Джеймс Уэбб систематически ставят под сомнение эту стройную картину. В ходе нового исследования астрономы под руководством Эдуардо Яни из Австрийского института науки и технологий обнаружили пару карликовых галактик, которые демонстрируют аномально массивные черные дыры, нарушающие установленные космологические правила.

Объекты, получившие названия Пелий и Нелей, расположены на средних красных смещениях z ≈ 0,71 и z ≈ 0,75, что означает, что они не относятся к числу самых древних галактик, но их свойства оказались не менее удивительными. Ключевым инструментом в этом открытии стала способность JWST вести наблюдения в широком диапазоне длин волн. В ультрафиолетовом и оптическом диапазонах, доступных приборам NIRISS и NIRSpec, обе галактики выглядят как типичные молодые карликовые системы с активным звездообразованием: они имеют голубой цвет, содержат мало пыли и населены молодыми звездами. Но картина радикально меняется при переходе к среднему инфракрасному диапазону, который фиксирует прибор MIRI.

Именно здесь исследователи обнаружили сильное расхождение. Избыток излучения в среднем инфракрасном диапазоне оказался слишком мощным, чтобы его можно было объяснить звездными популяциями или пылью, нагретой в процессе звездообразования. Единственным правдоподобным объяснением стало наличие активного галактического ядра — сверхмассивной черной дыры, активно аккрецирующей вещество и глубоко погруженной в плотную пылевую оболочку.

Как пишут авторы в своей статье, опубликованной на сервере препринтов arXiv и принятой к публикации в журнале Astronomy and Astrophysics: «Фотометрия JWST/MIRI выявляет сильный избыток излучения в среднем инфракрасном диапазоне, который нельзя объяснить только звездными популяциями или пылью, нагретой в процессе звездообразования, что требует наличия компонента горячей пыли, наиболее естественно связанного с глубоко погруженным активным галактическим ядром».

Массы центральных черных дыр в этих карликовых галактиках, по оценкам исследователей, могут достигать ошеломляющей величины — до 60% от массы самой галактики. Хотя авторы подчеркивают, что это верхняя граница оценок, даже она радикально расходится с локальным соотношением, согласно которому черные дыры составляют лишь десятые доли процента от массы галактики. Открытие указывает на то, что в некоторых системах сверхмассивная черная дыра может формироваться и расти гораздо быстрее своей звездной оболочки, возможно, опережая процесс накопления звездной массы.

Дополнительной загадкой стало отсутствие рентгеновского излучения, которое обычно сопровождает активные галактические ядра. Исследователи предполагают, что это может быть связано либо с чрезвычайно плотной маскировкой пылью, либо с режимом сверхэддингтоновской аккреции, когда черная дыра поглощает вещество с интенсивностью, превышающей классический предел Эддингтона. Такой механизм считается одним из ключевых для объяснения быстрого роста массивных черных дыр на ранних этапах существования Вселенной.

Пелий и Нелей представляют собой одни из наименее массивных галактик, в которых когда-либо были обнаружены активные галактические ядра, что выводит изучение этого феномена на новый уровень. Примечательно, что по своим спектральным характеристикам эти объекты напоминают знаменитые «маленькие красные точки» — загадочные компактные галактики, обнаруженные JWST в ранней Вселенной. Это сходство позволяет предположить, что перед астрономами могут быть аналоги таких объектов на более низких красных смещениях, где активное ядро, скрытое плотной пылью, доминирует в излучении, в то время как галактика-хозяин все еще находится в стадии активного формирования.

Таким образом, открытие карликовых галактик Пелий и Нелей демонстрирует, что быстрый рост сверхмассивных черных дыр, скрытых пылью, возможен в галактиках с массой всего около 10 миллионов солнечных масс. Это исследование дополняет растущий массив данных телескопа JWST, свидетельствующих о том, что массивные черные дыры были гораздо крупнее, чем предполагали существующие теории, причем не только в самых древних галактиках на заре Вселенной, но и в относительно небольших карликовых системах на средних красных смещениях.

Дальнейшие систематические поиски таких объектов с помощью рентгеновских телескопов, обсерваторий нового поколения вроде космического телескопа «Нэнси Грейс Роман» и наземных гигантов класса ELT помогут определить, насколько распространен этот механизм роста и является ли он общим путем в эволюции галактик и их центральных черных дыр.