Перше пряме вимірювання маси в ранньому Всесвіті активує дискусію щодо походження надмасивних чорних дір.

Скориставшись безпрецедентною потужністю космічного телескопа Джеймса Вебба, який дає змогу отримувати зображення та спектри, дослідники склали мапу переміщення та складу газу, що обертається навколо чорної діри в центрі Abell2744-QSO1 — крихітної галактики, котра міститься на відстані понад 13 мільярдів світлових років від Землі. Результати свідчать про те, що чорна діра масою 50 мільйонів сонячних мас виникла раніше за свою материнську галактику, сформувавшись, можливо, протягом першої секунди після Великого Вибуху і, мабуть, була величезною з самого початку.

Що виникає раніше, галактика чи чорна діра? Науковці давно вважали, що це може бути галактика: великі зорі в межах галактики поступово вичерпують своє паливо та стискаються, утворюючи чорні діри, які можуть поглинати навколишню речовину та з часом зливатися, утворюючи масивніші об’єкти. Але важко зрозуміти, як чорні діри, маса яких у мільйони чи мільярди разів перевищує масу Сонця, тисячі з яких нині виявлено в ранньому Всесвіті, могли так швидко вирости з таких маленьких «зерен».

Тепер дослідники, які працюють з телескопом Вебба, виявили чіткі докази того, що деякі надмасивні чорні діри були величезними з самого початку. Вони утворилися не через колапс зорі та без значно масивнішої материнської галактики, яка б їх живила.

«Це дивовижне відкриття », — сказав Роберто Майоліно (Roberto Maiolino) з Кембриджського університету (Велика Британія), співавтор досліджень. Результати науковців оприлюднено в журналах Nature та Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. «Це зміна парадигми, повний перегляд класичних сценаріїв того, як утворюються та ростуть чорні діри».

Маленька червона цятка QSO1

Висновок наукової групи заснований на докладних спостереженнях за Abell2744-QSO1 (QSO1), прототипом Маленької червоної цятки (Little Red Dot), яка існувала лише через 700 мільйонів років після Великого Вибуху.

Хоча поперечник QSO1 становить тільки 1300 світлових років, а світло від неї подорожує вже понад 13 мільярдів років, її легше вивчати, ніж більшість інших маленьких червоних цяток, бо вона зазнала гравітаційного лінзування від скупченням галактик Abell 2744 (скупчення Пандори). Після гравітаційної лінзи виникло три збільшених зображень QSO1 у трьох різних місцях на небі.

Перші дослідження QSO1 виявили переконливі докази того, що це може бути хмара з водню та гелію, яка обертається навколо надмасивної чорної діри (її маса, за оцінками, в 40 мільйонів разів перевищує масу Сонця). Але, як і для інших ранніх чорних дірах, котрі відкрили за допомогою «Вебба», була невизначеність щодо того, чи справді вона така масивна.

«Досі всі вимірювання маси чорних дір у ранньому Всесвіті були непрямими, заснованими на припущеннях, що ми знаємо про них у локальному Всесвіті. Ми не знали, чи справді ці припущення стосуються далекого Всесвіту», — сказав співавтор дослідження Франческо Д’Юґеніо (D’Eugenio), також з Кембриджського університету.

Мапа складу газу та швидкості

Науковці визнали: якщо чорна діра QSO1 така масивна, як здається, їм треба використати блок інтегрального поля (integral field unit, IFU) на NIRSpec (спектрограф ближнього інфрачервоного діапазону) телескопа Вебба, щоб відстежити вплив її гравітації на газ, що обертається навколо неї, а також побудувати мапу розподілу різних елементів у хмарі газу.

Аспірант Кембриджського університету Ігнас Юоджбаліс (Ignas Juodžbalis) та Козімо Маркончіні (Cosimo Marconcini) з Університету Флоренції в Італії, провідні автори одного із досліджень, використали спостережні дані від IFU для картографування рухів газоподібного водню, що оточує чорну діру. Коли вони побудували графік залежності швидкості обертання від відстані до центра, то виявили, що газ має так званий кеплерівський рух: він обертається навколо центральної точки так само, як планети Сонячної системи обертаються навколо Сонця.

«Це важливо, бо це говорить нам про те, що більша частина маси QSO1 зосереджена в чорній дірі в центрі», — сказав Юоджбаліс. «Якби маса була розосереджною, це було б в тому разі, якби існувало багато зір, газ не мав би цього ідеального кеплерівського обертання».

Оскільки кеплерівський рух описують прості закони гравітації, наукова група змогла використати вимірювання швидкості газу для прямого обчислення маси чорної діри, що раніше було неможливо. Дослідники виявили, що чорна діра не тільки величезна — приблизно 50 мільйонів сонячних мас — вона становить разючі дві третини від загальної маси QSO1. Ця пропорція в тисячі разів більша, ніж у сусідніх галактиках, де надмасивні чорні діри становлять лише крихітну частку від загальної маси галактики, в якій вона містяться.

Мапи, створені за даними від IFU, підтвердили ці результати, показавши, що газ у QSO1 майже повністю складається з водню та гелію, з дуже малою кількістю важчих елементів, таких як кисень. На такі елементи можна було б очікувати в галактиці, багатій на зорі та залишки від спалахів зір. З металічністю менше 0,5 % від сонячної, QSO1 є одним з найчистіших галактичних середовищ, які коли-небудь вимірювали астрономи.

«Це феноменальний результат», — сказав Майоліно. «Це перше пряме вимірювання маси чорної діри, яка існувала у перший мільярд років після Великого Вибуху, і воно узгоджується з попередніми вимірюваннями». Наукова група вважає це гарною ознакою того, що припущення, використані для непрямих вимірювань маси, є справедливими, і маси інших чорних дір у ранньому Всесвіті не були переоцінені.

Походження надмасивних чорних дір

Надмірна маса QSO1, як порівняти з масою материнської галактики, свідчить про те, що вона не могла утворитися поступово з набагато менших чорних дір зоряної маси, які зливаються та зростають. «Схоже, ми знайшли чорну діру, яка не має значимої материнської галактики та яка передувала зоряним процесам», — сказав Юоджбаліс. «Це дуже захопливо, бо це доказ існування первинних чорних дір або чорних дір прямого колапсу, які були теоретично передбачені, але не підтверджені».

Незалежно від того, чи чорна діра QSO1 еволюціонувала з «важкого насіння», що утворилося протягом першої секунди після Великого Вибуху, чи дещо пізніше через колапс гігантської хмари газу, вона майже напевно народилася великою і, можливо, перебуває на ранніх стадіях формування галактики навколо себе.

Наукова група вважає, що маленькі червоні цятки, такі як QSO1, не могли бути рідкістю у ранньому Всесвіті, і тепер аналізує схожі об’єкти, щоб з’ясувати, чи справді надмасивні чорні діри передують галактикам в яких вони нині містяться.

За інф. з сайту https://esawebb.org