Таинственная черная дыра на заре времен весит миллиард солнц

Фото из открытых источников

Черная дыра, обнаруженная более десяти лет назад, слишком велика, чтобы ее можно было легко объяснить. Находясь в центре галактики J1120+0641, она склоняет чашу весов к массе, превышающей миллиард Солнц. Исследование опубликовано в журнале Nature Astronomy.

Более крупные черные дыры существуют вокруг нас сегодня. Проблема в том, когда существовала J1120+0641. Менее чем через 770 миллионов лет после Большого взрыва трудно понять, как черная дыра успела набрать столько массы.

Мы знаем о галактике и ее переполненной черной дыре уже более десяти лет, и у ученых были идеи о том, как она появилась. Теперь наблюдения с использованием JWST опровергли одно из этих представлений. По всем принятым меркам J1120+0641 выглядит «шокирующе нормальной», оставляя открытыми более экзотические объяснения увеличения веса черной дыры.

Открытие J1120+0641 было объявлено еще в 2011 году , и в течение нескольких лет он оставался самой далекой из известных квазарных галактик. На самом деле, это были хорошие несколько лет. Насколько нам было известно, J1120+0641 был исключением, и одно возможное объяснение его размера все еще находится на столе.

Квазарные галактики — это галактики, в центре которых находится сверхмассивная черная дыра, питающаяся с огромной скоростью. Они окружены огромным облаком газа и пыли, которое они поглощают так быстро, как только могут. Трение и гравитация вокруг черной дыры нагревают материал, заставляя его ярко сиять.

Но скорость, с которой может питаться черная дыра, не безгранична. Максимальная стабильная скорость определяется пределом Эддингтона, за пределами которого нагретый материал сияет настолько ярко, что давление излучения превысит гравитационное притяжение, отталкивая материал и не оставляя черной дыре ничего, чем можно было бы питаться.

Теперь черные дыры могут на короткое время войти в состояние суперэддингтоновской аккреции, при котором они преодолевают этот предел и поглощают столько материала, сколько могут, прежде чем включится давление излучения. Это одно из возможных объяснений наличия черной дыры в центре J1120+0641 и, поскольку мы находим их в большем количестве, других крупных черных дыр, скрывающихся в начале Вселенной.

Чтобы искать признаки суперэддингтоновской аккреции, астрономам нужны были данные достаточного разрешения, чтобы выполнить детальный анализ света галактики в поисках признаков, связанных с экстремальными процессами. И для этого нам нужен был JWST, самый мощный космический телескоп из когда-либо созданных, оптимизированный для наблюдения за далекими уголками пространства и времени.

JWST наблюдал за галактикой в начале 2023 года, и группа под руководством астронома Сары Босман из Института астрономии Общества Макса Планка в Германии проанализировала собранный ею свет, чтобы составить каталог свойств материала вокруг черной дыры: огромный пылевой тор на окраине и светящийся диск, вращающийся вокруг черной дыры и питающий ее.

Этот анализ показывает, что черная дыра на самом деле питается вполне нормально — в ее аккреции нет ничего, что существенно отличалось бы от других, более поздних квазарных галактик.

Одно из возможных объяснений этих гигантских черных дыр заключается в том, что излишняя пыль привела астрономов к переоценке их масс. И все же никаких признаков дополнительной пыли также нет.

Это означает, что J1120+0641 является тем, чем она кажется: довольно обычной квазарной галактикой с черной дырой, которая не поглощает материал с супервысокой скоростью. Черная дыра и способ ее питания были уже относительно зрелыми к тому времени, когда мы ее наблюдали, в течение нескольких сотен миллионов лет после Большого взрыва

«В целом новые наблюдения только добавляют загадки: ранние квазары были шокирующе нормальными», — говорит Босман. «Независимо от того, на каких длинах волн мы их наблюдаем, квазары практически идентичны во все эпохи Вселенной».

Это означает, что суперэддингтоновская аккреция не является решением проблемы роста загадочно огромных черных дыр на заре времен.

Другое ведущее объяснение заключается в том, что черные дыры изначально образовались из довольно больших «семян». Вместо медленного, постепенного процесса из чего-то размером со звезду, эта теория предполагает, что черные дыры образовались из коллапса сгустков материи или даже чрезвычайно огромных звезд, масса которых в сотни тысяч раз превышает массу Солнца, что дало им фору для роста.

Поскольку мы находим все больше и больше этих чудовищ, скрывающихся в тумане в начале Вселенной, это представление кажется менее странным и больше похоже на лучшее из возможных объяснений этой загадочной эпохи в истории нашей Вселенной.