НАЙДЕН САМЫЙ ДАЛЁКИЙ И МОЩНЫЙ ЧЕРНАЯ ДЫРА В ИСТОРИИ ВСЕЛЕННОЙ

В астрономии произошёл прорыв, который кардинально меняет наше представление о ранней эпохе формирования сверхмассивных черных дыр. Благодаря недавно полученным данным с телескопа Джеймса Уэбба (JWST), учёные впервые зафиксировали объект, который может оказаться самой далёкой и одновременно наиболее мощной черной дырой, когда-либо обнаруженной во Вселенной. Этот объект находится в галактике GHZ2, которая расположена на расстоянии, превышающем 13 миллиардов световых лет, а свет, доходящий до нас, пришёл всего через 350 миллионов лет после Великого взрыва – начального события формирования нашей Вселенной.

Как удалось обнаружить самую древнюю черную дыру?

Используя возможности спектрографов Near Infrared Spectrograph (NIRSpec) и Mid-Infrared Instrument (MIRI) на Джеймсе Уэббе, астрономы получили уникальные спектры, охватывающие широкий диапазон длин волн, включая ультрафиолетовые и оптические начала света, которые были растянуты в инфракрасный диапазон вследствие расширения Вселенной. Особенно важными оказались признаки, свидетельствующие о наличии активного сверхмассивного черного дыра – мощного источника энергии, который не только поглощает материю, но и излучает огромное количество высокоэнергетических фотонов.

"Галактика GHZ2 существует в очень ранний период, когда возраст Вселенной составлял всего около 350 миллионов лет, что значительно сокращает время для формирования и роста сверхмассивной черной дыры и её окружающей галактики," — говорит Оскар Чавес Ортис, кандидат наук по астрономии из Университета Техаса в Остине и ведущий автор исследования. — "На современных космических масштабах мы наблюдаем долгий и сложный процесс совместной эволюции черных дыр и галактик, а обнаружение такой системы на ранних этапах вызывает множество вопросов о механизмах быстрого накопления массы."

Два сценария формирования сверхмассивных черных дыр

Учёные выдвигают две основные гипотезы о происхождении таких массивных объектов в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва:

• Лёгкие зерна: начинаются с относительно малых «семян» черных дыр, формирующихся из коллапса массивных звёзд, и затем очень быстро растут за счёт аккреции материи и слияний.
• Тяжёлые зерна: стартуют с более крупными размерами, например, от слияний протозвёзд или огромных газовых облаков, что даёт им существенный старт для быстрого роста и достижения сверхмассивных масштабов.

Обнаружение в галактике GHZ2 свидетельств интенсивной активности, которая указывает на присутствие очень активного черного отверстия, позволяет предположить, что один из этих сценариев реализуется именно в этом случае.

Анализ спектральных линий

Одним из ключевых моментов исследования стало обнаружение яркой линии эмиссии C IV λ1548 — сигнала, исходящего от троекратно ионизированного углерода. Такие линии требуют экстремальных условий и высокой энергетической радиации, которые обычно свойственны активным галактикам с центральными черными отверстиями, поглощающими материю. Их наличие свидетельствует о том, что GHZ2, вероятно, содержит активное черное отверстие, которое поглощает массу и излучает мощную энергию.

Обнаружение такой линии — важнейший аргумент в пользу наличия в галактике активного черного отверстия. Это подтверждает гипотезу о раннем формировании сверхмассивных черных дыр, питающихся окружающей материей.

Также особое значение имеет обнаружение линии эмиссии C IV, которая возникает при наличии очень высокой энергии фотонов. Чтобы выбить три электрона из атома углерода, требуется чрезвычайно мощное излучение, что идеально сочетается с поведением активных черных дыр — AGN (активных гравитационных источников). Полученные спектры позволяют практически с высокой точностью оценить энергию излучения и уровень активности в центре галактики.

Модель двойной системы и новые горизонты

Исследователи столкнулись с интересной задачей: спектр галактики GHZ2 мог быть объяснен либо активностью звёзд, либо наличием черной дыры. Для более точного анализа команда создала комплексные математические модели, которые позволили разделить вклад звезд и черной дыры. В результате выяснилось, что хотя многие спектральные линии могут возникать при звёздных процессах, сильная линия углерода явно указывала на присутствие черного отверстия, активно поглощающего материю и излучающего энергию.

При этом сама галактика, по всей видимости, ещё не обладает полным набором признаков типичных для активных галактических ядер. Это могла быть галактика, где одновременное существование мощных звёздных процессов и зарождающегося черного отверстия вызывает необычные спектральные характеристики. Возможно, что черное отверстие ещё не достигло полного уровня энергопотребления, что делает его обнаружение особенно ценным для понимания механизмов быстрого роста черных дыр в ранней Вселенной.

Что дальше и почему это важно?

Ученые планируют продолжить наблюдения с помощью Джеймса Уэбба для получения более высокоразрешённых спектров, а также использовать данные с массива ALMA (Атакама large millimeter/submillimeter array), который позволит изучать спектральные линии в дальнем инфракрасном диапазоне с высокой чувствительностью. Это поможет точнее определить уровень активности в галактике GHZ2 и подтвердить наличие активного черного отверстия.

Если гипотеза о наличии самой далёкой и самой мощной черной дыры подтвердится, это станет ключевым открытием: впервые мы увидим свидетельства моделирования процессов формирования сверхмассивных черных дыр, которые могли достичь миллиардов солнечных масс всего за несколько сотен миллионов лет. Такие наблюдения предоставят уникальную лабораторию для тестирования теорий "легких" и "тяжёлых" зерен, а также помогут понять, каким образом черные дыры в ранней Вселенной росли так быстро.

Значение открытия для науки и космологии

Это открытие открывает новые горизонты для астрономии и космологии. Оно позволяет взглянуть на процессы, которые до этого казались невозможными в столь короткое время после Большого взрыва. Наличие сверхмассивных черных дыр в первые несколько сотен миллионов лет служит вызовом существующим моделям, которые предполагают более медленный рост черных дыр из небольших "семян". В результате учёные смогут доработать теоретические модели, а также понять роль черных дыр в формировании структур Вселенной.

Обнаружение такого объекта – это не только технологический успех, но и ключ к разгадке загадки ранней космологии. Оно подтверждает, что черные дыры могли начать расти гораздо быстрее, чем считалось ранее, что влияет на наши оценки о времени формирования галактик и структуры всей Вселенной.