JWST обнаружил черные дыры, которые росли быстрее своих галактик

Международная группа астрономов под руководством Ромена А. Мейера из Женевского университета обнаружила две галактики ранней Вселенной, в которых центральные сверхмассивные черные дыры росли непропорционально быстро по сравнению с самими галактиками. Наблюдения с помощью космического телескопа Джеймс Уэбб (JWST) показали, что спустя всего 800 миллионов лет после Большого взрыва черные дыры в объектах COLA1 и NEPLA4 оказались в сотни раз массивнее, чем можно было бы ожидать исходя из массы их родительских галактик. Исследование опубликовано на сервере препринтов arXiv.

Астрономам давно известно, что в первые миллиарды лет существования Вселенной существовали квазары, чрезвычайно яркие галактики, питаемые черными дырами массой в миллиарды солнечных масс. Чтобы такие объекты могли появиться так рано, черные дыры должны были изначально быть крупными и расти с предельно возможной скоростью на протяжении большей части своей жизни. Однако с началом работы JWST в 2022 году ученые столкнулись с загадкой: телескоп обнаружил удивительно много зрелых галактик и черных дыр в первый миллиард лет космической истории. Среди них были сверхмассивные черные дыры, но их масса редко достигала уровня самых ярких квазаров.

Новое исследование под руководством Ромена А. Мейера посвящено двум объектам, получившим обозначения COLA1 и NEPLA4. Наблюдая их с помощью JWST, ученые зафиксировали широкие линии излучения водорода, верный признак быстрого вращения газа вокруг сверхмассивной черной дыры.

Кроме того, обе галактики испускают редкий двухпиковый сигнал в линии Лайман-альфа, который возникает только при наличии большого пузыря ионизированного газа вокруг галактики. Хотя эти черные дыры не столь массивны, как в самых ярких квазарах, их масса оценивается в 170–190 миллионов солнечных масс. При этом они в 400–800 раз массивнее, чем следовало бы ожидать, исходя из массы их родительских галактик, если сравнивать с тем, что астрономы видят в современной Вселенной.

Исследователи отмечают, что эти объекты заполняют важный пробел между обычными активными галактическими ядрами и яркими квазарами на больших красных смещениях. Они являются сильными кандидатами на роль недостающего звена в эволюции черных дыр. Прослеживая историю развития COLA1 и NEPLA4, ученые пришли к выводу, что черные дыры должны были «питаться» почти с максимально возможной скоростью, когда Вселенной было всего 180–270 миллионов лет.

При этом большинство звезд в этих галактиках сформировались лишь примерно через 750 миллионов лет после Большого взрыва. Иными словами, рост черных дыр в ранней Вселенной значительно опережал формирование самих галактик.

Согласно гипотезе авторов, менее чем за миллион лет до наблюдаемой фазы обе черные дыры были полноценными квазарами, яростно поглощавшими вещество и вырезавшими мощным излучением огромные ионизированные пузыри, что подтверждается двухпиковым сигналом Лайман-альфа.

Однако сейчас они находятся в спящей, постквазарной фазе: поглощение энергии снизилось до доли от максимального, зато галактики переживают интенсивный всплеск звездообразования. Если этот процесс продолжится, то со временем звездная масса галактик подтянется к массе центральных черных дыр, и соотношение между ними придет к значениям, характерным для современной Вселенной.

Таким образом, астрономы впервые наблюдали, как сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной временно «отрываются» в росте от своих галактик, переживая фазу затухающего квазара на фоне активного звездообразования. Открытие COLA1 и NEPLA4 заполняет эволюционный пробел между первичными черными дырами и яркими квазарами, а будущие наблюдения на наземных телескопах нового поколения помогут систематически находить подобные объекты и уточнить сценарии роста черных дыр в первые сотни миллионов лет космической истории.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях