Эта сверхмассивная черная дыра — самая далекая из когда-либо наблюдаемых

Недавно обнаруженная черная дыра разрушает рекорды, открывая новые сведения о том, как образовались такие объекты. Два космических телескопа объединились в пару, чтобы исследовать гигантскую черную дыру, масса которой примерно равна массе галактики, в которой она находится.

Это только начало: галактика существовала всего через 470 миллионов лет после Большого взрыва, который сформировал нашу Вселенную около 13,8 миллиардов лет назад.

Таким образом, существование этой черной дыры является важным ключом к пониманию того, как формируются сверхмассивные черные дыры в центрах галактик. Черные дыры — очень плотные объекты с такой сильной гравитацией, что даже свет не может покинуть их, если он подойдет слишком близко.

Новая черная дыра является рекордсменом: самая далекая из всех, наблюдаемых в рентгеновских лучах. Таким образом, наблюдения с космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА (Webb или JWST) и рентгеновской обсерватории Чандра агентства зафиксировали черную дыру на стадии ее роста, никогда ранее не наблюдавшейся.

JWST впервые обнаружил слабый свет ранней галактики под названием UHZ1. Масса галактики примерно в 140 миллионов раз превышает массу Солнца. JWST увидел галактику благодаря гравитационному линзированию, когда гравитация массивного скопления галактик на переднем плане, Abell 2744, усилила свет UHZ1.

Когда «Чандра» следила за UHZ1 и наблюдала за ней в течение двух недель, она обнаружила мощные рентгеновские лучи, исходящие от газового диска, кружащегося в гравитационном поле сверхмассивной черной дыры в ядре далекой галактики.

«Нам нужен был Уэбб, чтобы найти эту удивительно далекую галактику, а Чандра — чтобы найти ее сверхмассивную черную дыру», — заявил в своем заявлении в понедельник (6 ноября) Акос Богдан из Гарвардско-Смитсоновского центра астрофизики. Богдан — ведущий автор статьи в журнале Nature Astronomy, описывающей рентгеновские наблюдения и характеристики черной дыры, в основном основанной на данных «Чандры», но также включающей данные Уэбба.

Судя по яркости и интенсивности рентгеновских лучей, которые связаны с силой гравитации черной дыры, черная дыра имеет массу от десятков миллионов до сотен миллионов солнечных масс, что эквивалентно массе ее родительская галактика.

Однако UHZ1 все еще довольно мала для галактики. Модели формирования галактик описывают, как они начинаются с маленьких размеров, а затем растут в результате слияния либо с другими галактиками, либо с гигантскими межгалактическими газовыми облаками. Что не совсем понятно, так это то, как формируются их сверхмассивные черные дыры.

Есть две возможные теории, объясняющие их формирование. Во-первых, они образовались в результате быстрого слияния черных дыр звездной массы, образовавшихся в результате взрыва звезд. Другая возможность заключается в том, что сверхмассивные черные дыры образовались непосредственно из коллапсирующего газового облака, масса которого в 10 000–100 000 раз превышала солнечную.

Новое исследование предполагает, что новооткрытая черная дыра родилась большой, с предполагаемой массой примерно 10 миллионов и 100 миллионов солнц, если рассчитывать яркость и энергию рентгеновских лучей. «Существуют физические ограничения на то, как быстро черные дыры могут расти после того, как они сформировались, но те, которые рождаются более массивными, имеют преимущество.

Это похоже на посадку саженца, которому требуется меньше времени, чтобы вырасти в полноразмерное дерево, чем если бы вы начали только с семени», — сказал Энди Гулдинг из Принстонского университета. Гулдинг является ведущим автором статьи от 22 сентября в The Astrophysical Journal Letters, в которой сообщается о расстоянии и массе галактики, а также соавтором новой статьи Nature Astronomy.

Яркость и энергия рентгеновских лучей находятся в области, предсказанной в расчетах астрофизика-теоретика Приямвады Натараджана из Йельского университета, что приводит к созданию «негабаритных черных дыр», которые образуются непосредственно в результате коллапса газового облака.

«Мы думаем, что это первое обнаружение огромной черной дыры и лучшее из полученных на сегодняшний день доказательств того, что некоторые черные дыры образуются из массивных облаков газа», — сказал Натараджан в том же заявлении.

«Впервые мы наблюдаем краткий период, когда сверхмассивная черная дыра весит примерно столько же, сколько звезды в ее галактике, прежде чем она отстанет».

В большинстве современных галактик сверхмассивная черная дыра составляет лишь десятую часть массы родительской галактики. Масса черной дыры также коррелирует со звездной массой центральной выпуклости спиральной галактики или общей массой эллиптической галактики.

Наблюдая за активной черной дырой на этой стадии роста, наблюдения могут пролить свет на то, как происходит эта корреляция. В любом случае, UHZ1 определенно предстоит многое сделать, чтобы опередить рост своей черной дыры.