Астрономы с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) получили одно из самых чётких изображений того, как ранняя сверхмассивная чёрная дыра может расти внутри сети молодых галактик. Компактная активная галактика, наблюдаемая через миллиард лет после Большого взрыва, находится рядом с филаментом длиной 12 000 парсек, содержащим несколько галактик, которые, как ожидается, сольются в течение нескольких сотен миллионов лет. Об этом сообщает издание Phys.org.
Результаты, опубликованные на сервере arXiv 6 июля, позволяют предположить, что астрономы наблюдают короткоживущую фазу эволюции быстрорастущих чёрных дыр, а также проливают свет на то, как формировались первые массивные галактики в ранней Вселенной.
С момента начала работы JWST астрономы обнаружили популяцию компактных активно питающихся чёрных дыр в галактиках первого миллиарда лет Вселенной. Многие из этих чёрных дыр кажутся слишком массивными для своих галактик-хозяев: некоторые в 10–100 раз тяжелее, чем ожидалось.
Эта конкретная чёрная дыра в галактике GN-77652 наблюдается на красном смещении 5,23. Её масса составляет около 11 миллионов солнечных масс, а в галактике-хозяине всего около 170 миллионов солнечных масс звёзд, что примерно в 300 раз превышает массу, ожидаемую из соотношения между чёрными дырами и их галактиками в ближайшей Вселенной.
Под руководством Джулии Тоцци из Института внеземной физики Макса Планка команда использовала спектрограф NIRSpec интегрального поля JWST в рамках программы BlackTHUNDER, а также глубокую съёмку NIRCam для детального картирования области вокруг GN-77652.
Они обнаружили оживлённую среду, содержащую четыре дополнительных галактических сгустка газа и звёзд, обозначенных B, C, D и E, все на том же красном смещении. Эти сгустки распределены вдоль филамента на расстояниях примерно от 2,4 до 11,6 килопарсек от GN-77652.
Интересно, что GN-77652 — не самая массивная галактика в группе. Источники B и D в 10 раз тяжелее по звёздной массе. Газ во всей структуре, по-видимому, сходится к источнику B, расположенному вблизи центра комплекса, что указывает на возможное слияние всей системы в одну галактику.
Пять источников различаются до порядка величины по звёздной массе, темпу звездообразования и химическому обогащению, что говорит о разной стадии эволюции каждого компонента.
Сама GN-77652 демонстрирует пологий разрешённый градиент скорости, соответствующий небольшому вращающемуся газовому диску. Команда объясняет, что эта уникальная особенность, подтверждённая лишь у нескольких таких компактных хозяев чёрных дыр, «согласуется с доминирующей гравитацией» — той же картиной, что наблюдается в нормальных звездообразующих галактиках на этих красных смещениях, что предполагает, что GN-77652 ведёт себя скорее как устоявшаяся галактика, чем как бурно возмущённая.
Самый поразительный результат связан с источником B, находящимся всего в 2,4 килопарсека (в проекции) от GN-77652. Диагностические отношения эмиссионных линий там указывают на то, что газ ионизируется чем-то более энергичным, чем просто звёздный свет.
Чтобы проверить, может ли эта ионизация быть просто светом от GN-77652, достигающим B и подсвечивающим его газ, команда рассчитала необходимое количество ионизирующего излучения. Оказалось, что требуемая падающая светимость более чем на два порядка выше, чем может обеспечить чёрная дыра GN-77652, что исключает GN-77652 как источник и указывает на вторую отдельную чёрную дыру в B. Если это подтвердится, это будет одна из очень немногих известных двойных пар чёрных дыр на таком близком расстоянии в ранней истории Вселенной.
Команда также проверила, могла ли чёрная дыра GN-77652 образоваться путём «прямого коллапса» — процесса, при котором плотное облако газа коллапсирует непосредственно в массивный зародыш чёрной дыры, минуя промежуточную стадию формирования звёзд. Измерение поля излучения, создаваемого окружающим филаментом, показало, что его интенсивность немного не достигает необходимой для такого процесса.
Исследователи отмечают, что более сильное излучение могло присутствовать в более ранние времена, или остаются другие объяснения, включая возможность того, что чёрная дыра GN-77652 является первичной чёрной дырой или была выброшена из соседней галактики гравитационными взаимодействиями.
Исходя из расстояний и масс, команда рассчитывает, что всё скопление галактик сольётся в одну примерно через 150–440 миллионов лет. Моделируя, как масса чёрной дыры и звёздная масса объединённой системы будут расти за это время, они обнаружили, что соотношение между ними станет гораздо ближе к тому, что наблюдается в типичных галактиках сегодня.
Команда заключает, что компактный сверхмассивный вид GN-77652, вероятно, представляет собой короткоживущую эволюционную фазу, что согласуется с общей тенденцией уменьшения числа таких объектов на более низких красных смещениях по мере старения Вселенной.
Для подтверждения второй чёрной дыры в источнике B и лучшего отслеживания эволюции этой системы потребуются последующие спектроскопические наблюдения JWST, нацеленные на большее количество эмиссионных линий с более высоким разрешением.