Используя данные, полученные космическими телескопами JWST и рентгеновской обсерваторией «Чандра» НАСА, группа астрономов из Лаборатории NOIR Национального научного фонда США обнаружила сверхмассивную чёрную дыру в центре галактики всего через 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва, которая поглощает материю с феноменальной скоростью — более чем в 40 раз превышающей теоретический предел. Несмотря на то, что «пир» этой чёрной дыры был недолгим, он может помочь астрономам объяснить, как сверхмассивные чёрные дыры так быстро росли в ранней Вселенной.
Сверхмассивные чёрные дыры существуют в центре большинства галактик, и современные телескопы продолжают наблюдать их на удивительно ранних этапах эволюции Вселенной.
Трудно понять, как эти чёрные дыры смогли вырасти такими большими и так быстро. Но благодаря открытию сверхмассивной чёрной дыры малой массы, поглощающей вещество с огромной скоростью, всего через 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва, астрономы получили ценные новые сведения о механизмах быстрого роста чёрных дыр в ранней Вселенной.
LID-568 была открыта междисциплинарной командой астрономов под руководством астронома Хьевон Су из Международной обсерватории «Джемини»/NSF NOIRLab. Они использовали космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) для наблюдения за выборкой галактик из обзора COSMOS, проведённого рентгеновской обсерваторией «Чандра».
Эта группа галактик очень яркая в рентгеновской части спектра, но невидима в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах. Уникальная инфракрасная чувствительность JWST позволяет ему обнаруживать эти слабые источники излучения.
LID-568 выделяется интенсивным рентгеновским излучением, но ее точное положение нельзя было определить только по рентгеновским наблюдениям, что вызывало опасения по поводу правильного центрирования объекта в поле зрения JWST.
Таким образом, вместо традиционной спектроскопии с использованием щелей учёные, работающие с оборудованием JWST, предложили команде Су использовать спектрограф с интегральным полем на JWST NIRSpec. Этот прибор может получать спектр для каждого пикселя в поле зрения прибора, а не ограничиваться узким срезом.
«Из-за своей слабой яркости обнаружение LID-568 было бы невозможно без JWST. Использование спектрографа интегрального поля было инновационным и необходимым для наших наблюдений», — говорит Эмануэле Фарина, астроном Международной обсерватории «Джемини»/NSF NOIRLab и соавтор статьи «Чёрная дыра, аккрецирующая сверх Эддингтона, через ~1,5 млрд лет после Большого взрыва, обнаруженная с помощью JWST».
Спектрометр NIRSpec на борту JWST позволил команде исследователей получить полное представление о своей цели и окружающей её области, что привело к неожиданному открытию мощных потоков газа вокруг центральной чёрной дыры. Скорость и размер этих потоков позволили команде исследователей сделать вывод, что значительная часть прироста массы LID-568 могла произойти за один эпизод быстрой аккреции.
«Этот неожиданный результат добавил новое измерение в наше понимание системы и открыл захватывающие возможности для исследований», — говорит Су.
Су и её команда сделали потрясающее открытие: LID-568, по-видимому, поглощает материю со скоростью, в 40 раз превышающей предел Эддингтона. Этот предел относится к максимальной светимости, которой может достичь чёрная дыра, а также к скорости, с которой она может поглощать материю, чтобы её внутренняя гравитационная сила и внешнее давление, возникающее из-за нагрева сжатой падающей материи, оставались в равновесии.
Когда было подсчитано, что светимость LID-568 намного выше теоретически возможной, команда поняла, что в их данных есть что-то примечательное.
«Эта чёрная дыра пирует», — говорит астроном Международной обсерватории «Джемини»/NSF NOIRLab и соавтор исследования Джулия Шарвахтер.
«Этот крайний случай показывает, что механизм быстрого поглощения, превышающий предел Эддингтона, является одним из возможных объяснений того, почему мы видим эти очень тяжёлые чёрные дыры в столь раннем возрасте Вселенной».
Эти результаты дают новое представление о формировании сверхмассивных чёрных дыр из более мелких «зародышей» чёрных дыр, которые, согласно современным теориям, возникают либо в результате смерти первых звёзд во Вселенной (лёгкие «зародыши»), либо в результате прямого коллапса газовых облаков (тяжёлые «зародыши»). До сих пор эти теории не имели наблюдательных подтверждений.
«Открытие сверхэдинговской аккрецирующей чёрной дыры позволяет предположить, что значительная часть роста массы может происходить во время одного эпизода быстрого поглощения, независимо от того, возникла ли чёрная дыра из лёгкого или тяжёлого «семени», — говорит Су.
Открытие LID-568 также показывает, что чёрная дыра может превышать свой предел Эддингтона, и даёт астрономам первую возможность изучить, как это происходит.
Возможно, мощные выбросы, наблюдаемые в LID-568, могут действовать как предохранительный клапан для избыточной энергии, возникающей в результате экстремальной аккреции, предотвращая слишком сильную нестабильность системы. Чтобы лучше изучить действующие механизмы, команда планирует последующие наблюдения с помощью JWST.
Источник: Nature Astronomy, Ассоциация университетов по исследованиям в области астрономии
На изображении:
На иллюстрации художника изображена красная карликовая галактика ранней Вселенной, в центре которой находится быстро питающаяся черная дыра.
Фото: NOIRLab/NSF/AURA/Дж. да Силва/М. Замани
Дополнительные материалы
