Космический рассвет: «Джеймс Уэбб» нашел черную дыру-младенца

Астрономы, работающие с космическим телескопом «Джеймс Уэбб» (JWST), возможно, обнаружили самую далекую сверхмассивную черную дыру из когда-либо наблюдавшихся. Этот колоссальный объект скрывается в галактике GHZ2, и мы видим его таким, каким он был всего через 400 миллионов лет после Большого взрыва, в эпоху космического рассвета.

Исследование, размещенное в сервисе препринтов arXiv, основано на данных спектрографов телескопа, которые улавливают ультрафиолетовое и оптическое излучение, растянувшееся до инфракрасного диапазона из-за расширения Вселенной.

«GHZ2 существует в период, когда Вселенная была чрезвычайно молода, и у сверхмассивной черной дыры и ее галактики-хозяина было очень мало времени, чтобы вырасти вместе, — пояснил в интервью Live Science Оскар Чавес Ортис, ведущий автор исследования. — В локальной Вселенной черные дыры и галактики явно сосуществуют, но обнаружение такой системы в столь раннюю эпоху ставит вопрос: как эти объекты набирали массу так стремительно?»

У ученых есть две основные гипотезы: либо это «легкие семена», которые росли с невероятной скоростью, либо «тяжелые семена», которые изначально обладали большой массой, получив фору с самого начала.

Следы высокоэнергетических процессов

С момента открытия GHZ2 в 2022 году «Джеймс Уэбб» нашел множество далеких галактик. Однако GHZ2 выделяется своим спектром, который демонстрирует очень интенсивные «линии излучения» — световые сигналы, испускаемые атомами при переходе их электронов на более низкий энергетический уровень. Эти линии несут в себе ключи к разгадке процессов, питающих галактику.

«Мы наблюдаем линии, для образования которых требуется огромное количество энергии, — так называемые линии высокой ионизации, — отметил соавтор исследования Хорхе Завала. — Обычное звездообразование не может легко объяснить их наличие».

Решающей подсказкой стало обнаружение линии излучения C IV λ1548, которая исходит от трижды ионизированного углерода — атомов, лишившихся трех электронов.

«Отрыв трех электронов требует невероятно интенсивного радиационного поля, чего практически невозможно достичь только за счет звезд», — подчеркнул Чавес Ортис. Такой поток высокоэнергетических фотонов естественным образом производится активным галактическим ядром (AGN) — областью в центре галактики, где находится активно поглощающая материю черная дыра. Сила этой линии strongly указывала на присутствие AGN, что и побудило исследователей провести углубленный анализ.

Гибридная галактика-загадка

Поскольку GHZ2 — необычная система, бросающая вызов существующим моделям, исследователям пришлось разработать детальные симуляции, чтобы понять вклад как звезд, так и AGN в свечение галактики.

Их анализ показал, что хотя видимые спектральные линии можно объяснить одним только звездообразованием, аномально сильная углеродная линия требует присутствия AGN. Это означает, что часть света галактики порождена «голодной» сверхмассивной черной дырой.

Однако, как отметил Завала, в GHZ2 отсутствуют некоторые другие характерные признаки AGN. Это оставляет место для альтернативных, не менее экзотических объяснений: возможно, галактику питают сверхмассивные звезды (в сотни или тысячи раз массивнее Солнца), или же звездообразование в ту эпоху происходило совершенно иначе, чем мы думаем.

Путь к подтверждению

Чтобы окончательно подтвердить активность черной дыры, researchers планируют получить более детальные спектры с помощью «Джеймса Уэбба», а также задействовать мощности радиотелескопов ALMA для наблюдений в дальнем инфракрасном диапазоне.

Если открытие подтвердится, GHZ2 станет домом для самой далекой из известных сверхмассивных черных дыр. Ее изучение предоставит уникальную природную лабораторию для проверки конкурирующих теорий формирования черных дыр — «легких» и «тяжелых» семян — в первые сотни миллионов лет жизни Вселенной. Эта находка отодвигает границы нашего понимания того, как космические монстры успели вырасти до таких размеров так быстро после рождения мироздания.