«Пока трудно объяснить, как она образовалась так скоро после начала существования Вселенной»
Панорамный вид более 100 00 галактик — «Обзор ранней космической эволюции» (CEERS)
Космический телескоп Уэбб обнаружил самую удалённую на сегодняшний день активную сверхмассивную чёрную дыру.
Галактика, в которой находится древняя чёрная дыра, CEERS 1019, сформировалась относительно рано — всего через 570 миллионов лет после Большого взрыва. Активная сверхмассивная чёрная дыра в центре CEERS 1019 необычна не только своим возрастом и расстоянием, но и тем, что её масса составляет всего 9 миллионов солнечных масс, то есть она в 9 миллионов раз тяжелее Солнца. Как правило, большинство сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной имеют массу более 1 миллиарда солнечных масс, что делает их ярче и легче для обнаружения.
Относительно небольшой размер чёрной дыры в центре CEERS 1019 представляет собой некоторую загадку. Согласно заявлению Научного института космического телескопа в Балтиморе, который управляет научными операциями JWST, «пока трудно объяснить, как она образовалась так скоро после возникновения Вселенной». Астрономы давно подозревали, что чёрные дыры меньшего размера должны были образоваться на заре Вселенной, но эти наблюдения первые, позволяющие увидеть их в таких деталях.
«Исследователи давно знают, что в ранней Вселенной должны были существовать чёрные дыры меньшей массы. Уэбб — первая обсерватория, которая может запечатлеть их так чётко, — сказал Дейл Кочевски из колледжа Колби в Уотервилле, штат Мэн, который возглавлял одно из трёх новых исследований, использовавших JWST для изучения далёкой Вселенной. — Теперь мы думаем, что чёрные дыры меньшей массы могут быть повсюду, они просто ожидают своего открытия».
Чёрная дыра в CEERS 1019 была обнаружена с помощью данных, собранных космическим телескопом Уэбб в рамках научного исследования ранней космической эволюции (CEERS) — исследовательской программы, направленной на проверку и утверждение методов, позволяющих заглянуть далеко назад в историю Вселенной в области пространства между созвездиями Большой Медведицы и Волопаса. Данные, собранные в ходе исследования, привели астрономов в восторг.
«До сих пор исследования объектов в ранней Вселенной были в основном теоретическими, — говорит Стивен Финкельштейн, астроном из Техасского университета в Остине, который возглавляет обзор CEERS и является соавтором одного из исследований CEERS 1019, в котором использовались данные JWST. — Благодаря "Уэббу" мы не только можем видеть чёрные дыры и галактики на огромных расстояниях, но и приступить к их точному измерению. В этом заключается огромная сила этого телескопа».
Этот график показывает обнаружение наиболее удалённых активных сверхмассивных чёрных дыр, известных в настоящее время во Вселенной. Самая удалённая чёрная дыра — CEERS 1019, которая существовала чуть более 570 миллионов лет после Большого взрыва. CEERS 746 была обнаружена через 1 миллиард лет после Большого взрыва. Третье место в настоящее время занимает CEERS 2782, которая существовала через 1,1 миллиарда лет после Большого взрыва
Уэбб смог собрать множество спектральных данных о CEERS 1019, электромагнитные сигнатуры, которые показывают химический состав, массу и другие свойства галактики. Данные показывают, что галактика активно производит новые звезды, возможно, в результате слияния с другой галактикой, подпитывающей активность центральной чёрной дыры CEERS 1019.
Спектральные данные CEERS 1019, собранные JWST. Белый пик сразу за 4,7 микрона — это водород. Данные Уэбба подогнаны под две модели, поскольку за форму данных отвечает более одного источника. Широкая модель внизу, представленная жёлтым цветом, соответствует более быстрому газовому вихрю в активном аккреционном диске чёрной дыры. Фиолетовая модель с высоким пиком соответствует более медленному газу в галактике; это излучение от звёзд, которые активно формируются
Помимо обнаружения чёрной дыры в центре CEERS 1019, исследование также обнаружило два других «легковеса» — сверхмассивные чёрные дыры с меньшей массой, чем обычно наблюдается у чёрных дыр, находящихся на таком расстоянии.
Эти две чёрные дыры, находящиеся в ядрах галактик CEERS 2782 и CEERS 746, образовались через 1,1 миллиарда лет и 1 миллиард лет после Большого взрыва соответственно. Масса каждой из них составляет около 10 миллионов солнечных масс.
Для сравнения: Чёрная дыра в центре нашей собственной галактики Млечный Путь, известная как Стрелец А*, примерно в 4,3 миллиона раз массивнее Солнца. Но это довольно мало для современной сверхмассивной чёрной дыры. В центре галактики M87, например, находится чёрная дыра массой около 6,5 миллиардов солнечных.
Первый спектр доказывает, что чёрная дыра CEERS 2782 существовала всего 1,1 миллиарда лет после Большого взрыва, испустив свой свет 12,7 миллиарда лет назад. Данные Уэбба также показывают, что она очищена от пыли. Вторая, CEERS 746, существовала немного раньше, через 1 миллиард лет после Большого взрыва, но её яркий аккреционный диск всё ещё частично замутнён пылью
Всего с помощью данных обзора CEERS, проведённого JWST, было открыто 11 галактик, которые, как считается, сформировались в период от 470 до 675 миллионов лет после Большого взрыва. Данные, полученные в результате изучения этих галактик, могут произвести революцию в понимании астрономами того, как формировались и развивались звёзды и галактики на протяжении всей космической истории, говорят исследователи.
«Я потрясён количеством высокодетальных спектров удалённых галактик, полученных Уэббом», — сказал Пабло Аррабаль Харо из NOIRLab, ведущий автор одного из исследований с помощью обзора CEERS. «Эти данные просто невероятны».
Три отдельных исследования с использованием данных CEERS Survey были приняты к публикации в журнале The Astrophysical Journal Letters и доступны на сервере препринтов arXiv (раз, два, три).