Астрономы обнаружили сверхмассивную черную дыру, которая образовалась при взрыве гигантского газового облака

Фото из открытых источников
Галактика-хозяин черной дыры, UHZ1, была замечена космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST) при наблюдениях галактик в ранней Вселенной. Свет этих далеких галактик был искажен и усилен находящимся между ними скоплением галактик Abell 2744, благодаря чему они стали видны.
 
Акос Богдан (Центр астрофизики Гарварда и Смитсоновского института) и другие использовали рентгеновскую обсерваторию Чандра, чтобы еще раз взглянуть на 11 галактик. Исходя из того, на каких длинах волн можно обнаружить галактики, каждая из 11, по-видимому, находится на красном смещении, превышающем 9, что означает, что они светят на нас первые 500 миллионов лет существования Вселенной. Команда получила рентгеновские лучи только от одной галактики, наиболее увеличенной из группы.
 
Источник рентгеновского излучения является точной копией гигантской черной дыры, окутанной газом. Основываясь на полученных данных, астрономы полагают, что масса объекта составляет примерно 40 миллионов Солнц, или в 10 раз больше, чем черная дыра в центре Млечного Пути сегодня. Последующая работа с JWST подтверждает, что UHZ1 имеет красное смещение в 10, которое нам представляется таким, каким оно было всего 470 миллионов лет назад в космической истории.
 
Между тем, сама галактика выглядит довольно нормальной по сравнению со своими аналогами в то время, с массой около 100 миллионов Солнц, похожей на Малое Магелланово облако вблизи Млечного Пути. Но это ставит галактику на один уровень с черной дырой, которую она содержит, что резко контрастирует с современной вселенной, где черные дыры обычно на 0,1% массивнее своих галактик—хозяев.
 
Эта слишком большая для своих галактических размеров черная дыра взволновала команду — фактически, они отправились в надежде найти именно такой объект.
 
Астрономы обсуждают, как образовались первые сверхмассивные черные дыры. По одному сценарию большие звезды коллапсировали, а затем росли с головокружительной скоростью, выбрасывая газ и сталкиваясь друг с другом. В другом случае большие, нетронутые облака газа коллапсировали непосредственно в черные дыры массой в десятки тысяч солнечных масс, возможно, а может быть, и нет, предварительно не сформировав объект звездного типа. Затем они продолжали расти оттуда.
 
Более банальный сценарий превращения звезды в черную дыру с трудом объясняет редкие левиафаны, обнаруженные безумно поглощающими газ в течение 1 миллиарда лет после Большого взрыва. Масса этих черных дыр составляет миллиарды Солнц — трудно объяснить, если они возникли менее чем за миллиард лет до этого как объекты массой 100 солнечных.
 
С другой стороны, сценарий прямого коллапса страдает от хрупкой конвергенции факторов. Газ не может быть загрязнен тяжелыми элементами, образованными звездами, но он должен нагреваться ближайшими звездами, чтобы не разрушиться слишком рано. Одним из решений является то, что черная дыра образуется на спутнике рядом с протогалактикой, до краев заполненной молодыми солнцами.
 
Приямвада Натараджан (Йель), Бхаскар Агарвал (в то время работавший в Институте внеземной физики Макса Планка, Германия) и другие ранее предсказывали, что облако спутников, содержащее черную дыру прямого коллапса, сольется с более крупной растущей галактикой вскоре после образования черной дыры. Это смешение создало бы сверхмассивную галактику с черной дырой, или OBG, в которой масса черной дыры примерно соответствовала массе новой галактики-хозяина. Эти объекты должны существовать между 350 и 550 миллионами лет после Большого взрыва.
 
Эта галактика может быть первой обнаруженной OBG, утверждают Богдан, Натараджан и другие в трех статьях, размещенных на сервере препринтов arXiv и в настоящее время проходящих экспертную оценку. Внешний вид UHZ1 на разных длинах волн соответствует предсказаниям, и галактика немного раздута, как будто она недавно с чем-то слилась.
 
Сяохуэй Фан (Университет Аризоны), говорит, что, по его мнению, этот результат и другие, связанные с ранними черными дырами, являются одними из самых захватывающих открытий JWST. Если последующие рентгеновские наблюдения подтвердят массу этой черной дыры, то сценарий прямого коллапса будет “очень естественным объяснением”.
 
Авторы предупреждают, что черная дыра UHZ1 не обязательно продолжала расти, чтобы стать одним из загадочных гигантов, которых видели несколько сотен миллионов лет спустя. Рост черной дыры зависит от ее окружения, и моделирование показывает, что самые большие черные дыры не всегда остаются самыми большими с течением времени.
 
Тем не менее, это первый шанс астрономов исследовать образование самых ранних черных дыр с помощью реальных данных, а не теории. По мере того, как наблюдатели будут проводить перепись этих черных дыр, они смогут больше сказать о том, как формируются такие объекты.