Взвесить невидимку: «Джеймс Уэбб» измерил массу спящего чёрного монстра на краю Вселенной

Используя космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST), астрономы «взвесили» спящего гиганта — дремлющую сверхмассивную чёрную дыру, расположенную на ошеломляющем расстоянии в 10 миллиардов световых лет от нас. Это делает данную чёрную дыру самой далёкой сверхмассивной чёрной дырой, массу которой учёным когда-либо удавалось измерить.

Сверхмассивная чёрная дыра находится в сердце галактики MRG-M0138, которую мы видим такой, какой она была, когда возраст Вселенной составлял всего около 4 миллиардов лет. И теперь, благодаря «Джеймсу Уэббу», мы знаем, что она весит невероятные 6 миллиардов масс Солнца.

Сверхмассивные чёрные дыры могут быть очень заметными, когда они активно питаются и потому окружены обилием вещества в области, называемой активным галактическим ядром. Из-за колоссальных гравитационных сил чёрной дыры активное ядро светится чрезвычайно ярко. Однако, поскольку чёрные дыры окружены границей, улавливающей свет и называемой горизонтом событий, спящие чёрные дыры с не столь богато укомплектованными «кладовыми» гораздо более неуловимы. Они практически невидимы. И всё же даже эти чёрные дыры обладают гравитационным влиянием, которое может воздействовать не только на вращающиеся диски из газа и пыли — оно также способно влиять на движение звёзд, обращающихся вокруг чёрных дыр. А эти звёзды как раз видны.

Чтобы обнаружить и измерить массу этой сверхмассивной чёрной дыры, команда учёных использовала JWST для отслеживания движения звёзд в центре MRG-M0138. Этот трюк с отслеживанием звёзд применялся и раньше для взвешивания спящих чёрных дыр, расположенных гораздо ближе к Земле, — например, сверхмассивной чёрной дыры массой 4,3 миллиона солнечных масс в сердце нашей собственной галактики, Стрелец A. Однако Стрелец A и сопровождающие его звёзды находятся всего в 26 000 световых лет от нас, а самая далёкая чёрная дыра, для взвешивания которой использовался этот метод, называемый звёздной динамикой, располагалась лишь в 700 миллионах световых лет. Новое исследование, охватывающее расстояние примерно в 15 раз больше предыдущего рекордного, стало первым случаем успешного применения этого метода для измерения массы столь далёкого спящего гиганта.

«Определение того, как звёзды коллективно движутся в ядре этой далёкой галактики, позволило нам измерить массу её в остальном необнаружимой сверхмассивной чёрной дыры», — заявил руководитель команды, учёный из Университетского колледжа Лондона Ричард Эллис. «Продемонстрировав осуществимость такой техники для галактик в ранней Вселенной, мы теперь можем провести более полную перепись того, как чёрные дыры развиваются с течением времени, и сделать выводы об их роли в формировании галактик».

Космическая линза Эйнштейна: как заглянуть в прошлое

Однако определить движение звёзд в сердце MRG-M0138 было отнюдь не просто. Для этого потребовался природный космический феномен, известный как гравитационное линзирование, который вытекает из главного труда Альберта Эйнштейна по теории гравитации — общей теории относительности. Общая теория относительности предсказывает, что объекты, обладающие массой, создают реальную кривизну ткани пространства-времени — четырёхмерного объединения трёх пространственных и одного временного измерений. Гравитация возникает из этой кривизны, и поскольку чем больше масса, тем больше кривизна, то чем массивнее объект, тем сильнее его гравитация.

Гравитационное линзирование происходит, когда массивный объект, такой как галактика или скопление галактик, находится между более далёким фоновым объектом и Землёй. Когда свет от фонового источника проходит мимо искривления пространства, вызванного массивным передним объектом — гравитационной линзой, его обычно прямой путь искривляется. Чем ближе к гравитационной линзе проходит свет, тем сильнее отклоняется его траектория, а это означает, что свет от одного и того же объекта достигает наших телескопов в разное время. Это может увеличивать объект, а в экстремальных случаях один и тот же объект может появляться несколько раз в разных местах одного и того же изображения.

Эффект гравитационного линзирования от галактики, расположенной между MRG-M0138 и Землёй, перефокусировал свет от этой далёкой галактики, увеличив его в 30 раз, что позволило Эллису и его коллегам детально реконструировать внутреннюю структуру MRG-M0138. «Объединив данные JWST с гравитационным линзированием, мы смогли заглянуть внутрь сферы влияния чёрной дыры, где её гравитация увеличивает скорости звёзд, — сказал Эндрю Ньюман из Института Карнеги в Пасадене (Калифорния). — Это одна из лучших техник, которые у нас есть для взвешивания чёрной дыры, поэтому мы были рады распространить её на гораздо более ранний период космической истории».

Тишина после бури: как чёрные дыры убивают свои галактики

В дополнение к исследованию этой спящей чёрной дыры команда также определила, что и сама MRG-M0138 находится в дремлющем состоянии — то есть она больше не формирует новые звёзды. Вероятно, это результат того, что сверхмассивная чёрная дыра в более ранний период своей истории пережила фазу неистового обжорства, когда она должна была выглядеть как пылающий квазар в сердце активного галактического ядра. Энергия, высвободившаяся в течение этой фазы, вытолкнула газ и пыль как от самой чёрной дыры (завершив её фазу питания), так и от MRG-M0138 в целом. Это лишило галактику сырья для звездообразования и тем самым остановило рождение новых звёзд.

Это означает, что с помощью этих наблюдений и с получением дополнительных данных JWST о спящих сверхмассивных чёрных дырах учёные смогут лучше понять взаимосвязь между ростом галактик и ростом сверхмассивных чёрных дыр, а также роль, которую эти космические титаны играют в прекращении звездообразования в своих родительских галактиках.

Исследование команды было опубликовано в четверг (4 июня) в журнале Science. Открытие даёт астрономам не просто рекорд, а принципиально новый инструмент. Если раньше мы видели лишь яркие «маяки» активных чёрных дыр в ранней Вселенной, то теперь можем находить и измерять их невидимых спящих собратьев — тех, кто уже завершил свою разрушительную трапезу. И каждый такой «взвешенный» монстр рассказывает историю о том, как жизнь и смерть галактик оказывается неразрывно связана с аппетитами скрытых в их центрах гигантов, чью массу мы только учимся по-настоящему видеть сквозь толщу времени.