|
Черная дыра необъяснимой массы
|
|
|
|
Космический телескоп Джеймса Уэбба наблюдал галактику на особенно молодой стадии развития Вселенной. Оглядываясь назад, в прошлое, стало ясно, что свету из галактики под названием J1120+0641 потребовалось почти столько же времени, чтобы достичь Земли, сколько потребовалось Вселенной для развития до наших дней. Как показали независимые измерения, необъяснимо, как черная дыра в ее центре могла тогда весить более миллиарда солнечных масс. Результаты опубликованы в журнале Nature Astronomy. Предполагалось, что недавние наблюдения за материалом в непосредственной близости от черной дыры должны были выявить особенно эффективный механизм подачи, но они не выявили ничего особенного. Этот результат тем более необычен: это может означать, что астрофизики понимают в развитии галактик меньше, чем они думали. И все же они ни в коем случае не разочаровывают.
|
|
|
|
Первый миллиард лет космической истории бросает вызов: самые ранние из известных черных дыр в центрах галактик обладают удивительно большими массами. Как они смогли стать такими массивными и так быстро? Новые наблюдения, описанные здесь, дают убедительные доказательства против некоторых предложенных объяснений, в частности, против "сверхэффективного режима питания" самых ранних черных дыр. Звезды и галактики претерпели огромные изменения за последние 13,8 миллиардов лет, то есть за время существования Вселенной. Галактики увеличились в размерах и приобрели большую массу либо за счет поглощения окружающего газа, либо (иногда) за счет слияния друг с другом. Долгое время астрономы предполагали, что сверхмассивные черные дыры в центрах галактик должны были постепенно расти вместе с самими галактиками.
|
|
|
Но рост черной дыры не может быть сколь угодно быстрым. Вещество, падающее на черную дыру, образует вращающийся, горячий, яркий "аккреционный диск". Когда это происходит вокруг сверхмассивной черной дыры, в результате образуется активное ядро галактики. Самые яркие из таких объектов, известные как квазары, являются одними из самых ярких астрономических объектов во всем космосе. Но эта яркость ограничивает количество вещества, которое может попасть в черную дыру: свет оказывает давление, которое может препятствовать попаданию дополнительного количества вещества внутрь. Вот почему астрономы были удивлены, когда за последние двадцать лет наблюдения за далекими квазарами выявили очень молодые черные дыры, масса которых, тем не менее, достигала 10 миллиардов масс Солнца. Свету требуется время, чтобы добраться от удаленного объекта до нас, поэтому смотреть на удаленные объекты - значит заглядывать в далекое прошлое. Мы видим самые отдаленные из известных квазаров такими, какими они были в эпоху, известную как "космический рассвет", менее чем через миллиард лет после Большого взрыва, когда образовались первые звезды и галактики.
|
|
|
|
Объяснение этих ранних массивных черных дыр представляет собой серьезную проблему для современных моделей эволюции галактик. Может ли быть так, что ранние черные дыры были гораздо более эффективны при аккреции газа, чем их современные аналоги? Или же присутствие пыли могло повлиять на оценки массы квазаров таким образом, что исследователи переоценили массу ранних черных дыр? В настоящее время предлагается множество объяснений, но ни одно из них не является общепринятым. Решение о том, какое из этих объяснений является правильным, если таковое вообще существует, требует более полной картины квазаров, чем та, которая была доступна ранее. С появлением космического телескопа JWST, в частности, средне-инфракрасного прибора MIRI, возможности астрономов в изучении удаленных квазаров значительно расширились. MIRI в 4000 раз более чувствителен к спектрам удаленных квазаров, чем любой предыдущий прибор. Приборы, подобные MIRI, создаются международными консорциумами, в которых ученые, инженеры и техники работают в тесном сотрудничестве. Естественно, консорциум очень заинтересован в проверке того, работает ли их прибор так, как планировалось.
|
|
|
|
В обмен на создание прибора консорциумам обычно предоставляется определенное время для наблюдений. В 2019 году, за несколько лет до запуска JWST, Европейский консорциум MIRI решил использовать это время для наблюдения за самым удаленным из известных на тот момент квазаром, объектом, получившим обозначение J1120+0641. Анализ результатов наблюдений был поручен доктору Саре Босман, научному сотруднику Института астрономии Макса Планка (MPIA) и члену Европейского консорциума MIRI. Вклад MPIA в инструмент MIRI включает в себя создание ряда ключевых внутренних компонентов. Босмана попросили присоединиться к сотрудничеству MIRI специально для того, чтобы поделиться опытом о том, как наилучшим образом использовать этот инструмент для изучения ранней Вселенной, в частности первых сверхмассивных черных дыр. Наблюдения были проведены в январе 2023 года, во время первого цикла наблюдений JWST, и продолжались около двух с половиной часов. Они представляют собой первое исследование квазара в среднем инфракрасном диапазоне в период космического рассвета, всего через 770 миллионов лет после Большого взрыва (красное смещение z=7). Информация берется не из изображения, а из спектра: радужного разложения света объекта на составляющие с разными длинами волн.
|
|
|
|
Общая форма среднего инфракрасного спектра ("континуум") отражает свойства большого пылевого тора, который окружает аккреционный диск в типичных квазарах. Этот тор помогает направлять вещество на аккреционный диск, "питая" черную дыру. Плохая новость для тех, кто предпочитает искать альтернативные способы быстрого роста массивных ранних черных дыр: тор и, как следствие, механизм питания этого очень раннего квазара, по-видимому, такие же, как и у его более современных аналогов. Единственное отличие заключается в том, что ни одна модель быстрого раннего роста квазаров не предсказывала: несколько более высокая температура пыли, примерно на сто Кельвинов выше, чем 1300 К, обнаруженные для самой горячей пыли в менее удаленных квазарах. Коротковолновая часть спектра, в которой преобладает излучение самого аккреционного диска, показывает, что для нас, удаленных наблюдателей, свет квазара не затемнен большим количеством пыли, чем обычно. Аргументы о том, что, возможно, мы просто переоцениваем массы ранних черных дыр из-за дополнительного количества пыли, также не являются решением.
|
|
|
|
Широкая область квазара, где скопления газа вращаются вокруг черной дыры со скоростями, близкими к скорости света, что позволяет сделать выводы о массе черной дыры, плотности и ионизации окружающей материи, также выглядит нормально. Почти по всем свойствам, которые можно вывести из спектра, J1120+0641 ничем не отличается от квазаров более позднего времени. "В целом, новые наблюдения только добавляют загадочности: ранние квазары были на удивление обычными. Независимо от того, на каких длинах волн мы их наблюдаем, квазары практически идентичны во все эпохи Вселенной", - говорит Босман. Не только сами сверхмассивные черные дыры, но и питающие их механизмы, по-видимому, были уже полностью "зрелыми", когда возраст Вселенной составлял всего 5% от ее нынешнего. Исключая ряд альтернативных решений, полученные результаты убедительно подтверждают идею о том, что сверхмассивные черные дыры изначально обладали значительной массой, что на астрономическом жаргоне означает, что они "изначальные" или "изначально крупные". Сверхмассивные черные дыры образовались не из остатков ранних звезд, а затем очень быстро стали массивными. Они, должно быть, образовались рано, их первоначальная масса составляла по меньшей мере сто тысяч солнечных масс, предположительно, в результате коллапса массивных ранних газовых облаков.
|
|
|
|
Источник
|
