В одной галактике обнаружены сразу три сверхмассивные черные дыры

Фото из открытых источников

Международная группа астрономов под руководством Института внеземной физики им. Макса Планка идентифицировала три активно аккрецирующие сверхмассивные черные дыры в галактике J0148-4214. Это черные дыры, в которые падает материя из окружающего их аккреционного диска. 

Галактика расположена на расстоянии более 12,5 миллиардов световых лет от Земли. На таком расстоянии становится очевидным само расширение пространства. Поэтому галактика, по-видимому, удаляется от нас, в результате чего свет, получаемый от галактики, смещается в сторону более длинных волн, что приводит к так называемому красному смещению z=5,02. Используя это красное смещение, исследователи рассчитали огромное расстояние до галактики. Она находится так далеко, что свет от нее прошел 12,5 миллиардов лет. Таким образом, мы видим галактику такой, какой она появилась всего через 1,2 миллиарда лет после Большого взрыва.

«Это первое свидетельство существования трех активных черных дыр в одной галактике в далекой Вселенной», — говорит ведущий автор исследования Ханна Эблер. 

Две из них расположены в центре галактики и разделены всего 620 световыми годами в проекции. Третья черная дыра находится во внешней области галактики, на расстоянии приблизительно 5500 световых лет от центра. 

«Это говорит о том, что процессы в ранней Вселенной эффективно сближали массивные черные дыры, создавая условия для слияний массивных черных дыр, которые мы ожидаем обнаружить с помощью будущих обсерваторий гравитационных волн», — говорит Эблер. 

Это связано с тем, что теории эволюции галактик, основанные на наблюдениях, предполагают, что на ранних этапах истории Вселенной галактики сближались и сливались. В процессе слияния также сливались черные дыры в их центрах, порождая черные дыры с еще большей массой в центрах слившихся галактик.

Исследователи идентифицировали черные дыры по их спектральным отпечаткам: сигналам атомов водорода, движущихся с высокой скоростью в гравитационном потенциале черных дыр. В центральной области спектр демонстрирует сложную структуру, которую лучше всего объясняют две черные дыры, расположенные в непосредственной близости друг от друга. Чтобы разделить два центральных источника, команда применила спектроастрометрию — метод, который точно измеряет пространственные сдвиги в линейном излучении по всей галактике. Это позволило определить положения черных дыр, хотя их нельзя пространственно разрешить как отдельные точечные источники. Третья черная дыра была обнаружена во внешней области.

Анализ показывает, что массы черных дыр составляют приблизительно 80 миллионов, 0,6 миллиона и 2 миллиона солнечных масс. Самая массивная черная дыра аккрецирует с меньшей скоростью, чем расположенная рядом черная дыра массой 0,6 миллиона солнечных масс, которая активно питается и даже превышает максимальную скорость аккреции, предсказанную основными теориями роста черных дыр (предел Эддингтона).

«Данные телескопа JWST позволили нам не только идентифицировать три черные дыры, но и оценить их массы, темпы аккреции и звездную массу галактики», — говорит соавтор исследования Джованни Маццолари. «Мы обнаружили, что общая звездная масса составляет около 1,3 миллиарда солнечных масс, и черные дыры составляют значительную часть этой массы».

Ожидается, что центральная пара черных дыр сольется в течение следующих нескольких сотен миллионов лет. «Эти результаты чрезвычайно интересны», — добавляет соавтор исследования Роберто Майолино. «Они предполагают, что слияние черных дыр может быть дополнительным, быстрым путем их стремительного роста в ранней Вселенной».

Третья черная дыра, расположенная вне ядра, может быть остатком предыдущего слияния, смещенным от центра гравитационным импульсом отдачи, или же в настоящее время мигрирует внутрь.

Эти наблюдения демонстрируют, что интегральная спектроскопия поля является важным инструментом для идентификации множественных активных черных дыр в далеких галактиках. Без пространственно-разрешенной информации, предоставляемой NIRSpec-IFS, вероятно, была бы обнаружена только одна из трех черных дыр.