В 2024 году международная команда астрономов запустила программу CANDELS-Area Prism Epoch of Reionization Survey (CAPERS), использующую данные космического телескопа Джеймса Уэбба для идентификации галактик, появившихся во времена «космического рассвета». Этот космологический период наступил менее чем через миллиард лет после Большого взрыва, и именно тогда сформировались первые галактики во Вселенной. В недавнем исследовании команда CAPERS подтвердила существование чёрной дыры в центре галактики (обозначенной CAPERS-LRD-z9), удалённой от нас примерно на 13,3 миллиарда световых лет.

Это делает данную чёрную дыру самой ранней из когда-либо наблюдавшихся учёными и открывает возможности для изучения эволюции чёрных дыр и структуры Вселенной в этот ранний период. Исследование проводилось под руководством Энтони Дж. Тейлора, постдокторанта Центра космических рубежей Техасского университета в Остине, и при участии нескольких членов консорциума CAPERS. Статья с подробным описанием полученных результатов была опубликована 6 августа в журнале The Astrophysical Journal Letters.

В 1970-х годах учёные обнаружили, что большинство массивных галактик имеют центральную сверхмассивную чёрную дыру (СМЧД), что объясняет, почему их ядра периодически становятся достаточно яркими, чтобы затмить все звёзды в их дисках. Это привело к появлению термина «активные галактические ядра» (АГЯ), который описывает эти яркие галактические центры и отличает их от менее ярких и активных галактик. С запуском «Уэбба» астрономы наконец-то получили возможность наблюдать за ранними предками (или «зародышами») этих гигантов и изучать, как они повлияли на эволюцию галактик.

CAPERS-LRD-z9 была впервые обнаружена в ходе исследования Public Release IMaging for Extragalactic Research (PRIMER) с помощью камеры ближнего инфракрасного диапазона (NIRCam) и прибора среднего инфракрасного диапазона (MIRI) «Уэбба». Как и многие другие галактики, обнаруженные «Уэббом», CAPERS-LRD-z9 относится к новому классу галактик, известных как «Маленькие красные точки», возникшие через 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва. Они очень компактные, красные и удивительно яркие. Проводя последующие наблюдения, команда CAPERS выявила признаки быстро движущегося газа, используя спектрометр ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) спутника Webb для спектроскопии NIRSpec/PRISM.

Когда газ и пыль огибают чёрную дыру и приближаются к ней, они разгоняются до релятивистских скоростей (близких к скорости света). Излучение газа, удаляющегося от наших приборов, смещается к красному концу спектра, а излучение газа, движущегося к ним, смещается к более голубым волнам. Изучив спектральные сигнатуры, исходящие от CAPERS-LRD-z9, команда обнаружила присутствие и того, и другого, подтвердив тем самым, что они идентифицировали чёрную дыру, находящуюся на расстоянии примерно 13,3 миллиарда световых лет от нас. Хотя астрономы нашли несколько более отдалённых кандидатов, они ещё не обнаружили характерную спектроскопическую подпись, связанную с чёрными дырами.

«Если мы говорим о чёрных дырах, то это практически максимально далёкий от нас период времени, в который мы можем заглянуть. Мы по-настоящему расширяем границы того, что могут обнаружить современные технологии», — сказал Тейлор в пресс-релизе UT News. «Первая цель CAPERS — подтвердить и изучить самые далёкие галактики», — добавил соавтор Марк Дикинсон, руководитель группы CAPERS. «Спектроскопия „Уэбба“ — это ключ к подтверждению их расстояний и пониманию их физических свойств».

Присутствие СМЧД в центре CAPERS-LRD-z9 даёт астрономам уникальную возможность это сделать. Во-первых, эта галактика поддерживает теорию о том, что СМЧД являются источником неожиданной яркости «Маленьких красных точек», которую обычно приписывают обилию звёзд. Однако последний вариант не согласуется с современными космологическими моделями, которые предполагают, что у этих галактик не было достаточно времени для образования такого количества звёзд. Кроме того, чёрные дыры светятся ярко, потому что сжимают газ и пыль, которые они поглощают, выделяя огромное количество света и тепла.

Подтверждение существования «зародыша» СМЧД в CAPERS-LRD-z9 помогает проиллюстрировать этот процесс в очень ранних галактиках. Эта галактика также может помочь объяснить отчётливый красный цвет галактик типа «Маленькая красная точка», который может быть обусловлен плотным облаком пыли, окружающим чёрную дыру — то, что наблюдалось в более поздних галактиках. Кроме того, неожиданным открытием стал размер чёрной дыры (в 300 миллионов раз превышающий массу нашего Солнца) — примерно половина массы всех звёзд в её диске. Это похоже на то, что астрономы заметили у других СМЧД в галактиках, существовавших менее 1 миллиарда лет после Большого взрыва.

Таким образом, эта находка даёт астрономам возможность изучить, как эти чёрные дыры могли так быстро вырасти до таких размеров. «Это ещё один аргумент к растущему числу доказательств того, что ранние чёрные дыры росли гораздо быстрее, чем мы думали», — сказал соавтор Финкельштейн, директор Центра космических рубежей. «Или же они начинали гораздо массивнее, чем предсказывают наши модели».

В будущем команда надеется собрать больше данных высокого разрешения по CAPERS-LRD-z9, чтобы узнать больше о роли чёрных дыр в развитии галактик в ранней Вселенной. «Для нас это хороший тестовый объект», — говорит Тейлор. «До недавнего времени нам не удавалось изучать эволюцию ранних чёрных дыр, и мы с нетерпением ждём, что нам удастся узнать об этом уникальном объекте».