|
Черная дыра образовалась раньше своей галактики
|
|
|
|
Что появилось раньше, галактика или черная дыра? Мы не знаем, но ученые долгое время считали, что это могла быть галактика: крупные звезды внутри существующей галактики поглощают свое топливо и коллапсируют, образуя черные дыры, которые со временем могут поглощать окружающий материал и сливаться, образуя более массивные образования.
|
|
|
|
Но трудно понять, как черные дыры, масса которых в миллионы или миллиарды раз превышала массу Солнца, тысячи из которых уже были обнаружены в ранней Вселенной, могли так быстро вырасти из таких маленьких зародышей.
|
|
|
|
Теперь исследователи, использующие космический телескоп Джеймса Уэбба НАСА, обнаружили явные доказательства того, что некоторые сверхмассивные черные дыры были огромными с самого начала, образовавшись без фазы звездного коллапса и без значительно более массивной галактики-хозяина, которая могла бы их питать.
|
|
|
|
«Это замечательное открытие», — сказал Роберто Майолино из Кембриджского университета в Великобритании, соавтор исследований, опубликованных в журналах Nature и Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. «Это смена парадигмы, полное переосмысление классических сценариев образования и роста черных дыр».
|
|
|
|
|
|
|
Маленькая красная точка QSO1
|
|
|
|
Вывод команды основан на подробных наблюдениях за Abell2744-QSO1 (QSO1), прототипом «маленькой красной точки», существовавшей всего через 700 миллионов лет после Большого взрыва.
|
|
|
|
Хотя QSO1 имеет диаметр всего 1300 световых лет, а его свет путешествует более 13 миллиардов лет, его легче изучать, чем большинство других «маленьких красных точек», потому что он гравитационно линзирован скоплением галактик Abell 2744 (скопление Пандоры). QSO1 увеличен и изображен в трех разных местах на небе.
|
|
|
|
Первоначальные исследования QSO1 выявили убедительные доказательства того, что он может быть не чем иным, как облаком светящегося водорода и гелия, вращающимся вокруг сверхмассивной черной дыры, масса которой, по оценкам, в 40 миллионов раз превышает массу Солнца. Но, как и в случае с другими ранними черными дырами, обнаруженными телескопом Webb, существовала неопределенность относительно того, действительно ли она настолько массивна.
|
|
|
|
«До сих пор все измерения массы черных дыр в ранней Вселенной были косвенными, основанными на предположениях, сделанных на основе наших знаний о них в локальной Вселенной. Мы не знали, применимы ли эти предположения к далекой Вселенной», — сказал соавтор Франческо Д'Эудженио, также из Кембриджского университета.
|
|
Картирование состава газа и скорости
|
|
|
|
Команда поняла, что если черная дыра QSO1 настолько массивна, как кажется, они смогут использовать интегральный полевой блок (IFU) на спектрографе ближнего инфракрасного диапазона (NIRSpec) телескопа Webb для отслеживания влияния ее гравитации на газ, вращающийся вокруг нее, а также для картирования распределения различных элементов в газе.
|
|
|
|
Аспирант Кембриджского университета Игнас Юоджбалис и Козимо Маркончини из Флорентийского университета, ведущие авторы одного из исследований, использовали наблюдения IFU для картирования движений водородного газа, окружающего черную дыру. Построив график зависимости скорости вращения от расстояния до центра, исследователи обнаружили, что газ движется по кеплеровской траектории: он вращается вокруг центральной точки так же, как планеты нашей Солнечной системы вращаются вокруг Солнца.
|
|
|
|
«Это важно, потому что это говорит нам о том, что большая часть массы QSO1 сосредоточена в черной дыре в центре», — сказал Юоджбалис. «Если бы масса была более распределена, как это было бы в случае большого количества звезд, газ не имел бы этого идеального кеплеровского вращения».
|
|
|
|
Поскольку кеплеровское движение подчиняется простым законам гравитации, команда смогла использовать измерения скорости газа для непосредственного расчета массы черной дыры — достижение, которое ранее было невозможно.
|
|
|
|
Они обнаружили, что черная дыра не только огромна — примерно 50 миллионов солнечных масс — но и составляет, как минимум, поразительные две трети от общей массы QSO1. Эта доля в тысячи раз больше, чем в близлежащих галактиках, где сверхмассивные черные дыры составляют лишь крошечную долю от общей массы галактики-хозяина.
|
|
|
|
Карты состава, полученные с помощью интегрального спектрального поля (IFU), подтвердили эти результаты, показав, что газ в QSO1 почти полностью состоит из водорода и гелия, с очень небольшим количеством более тяжелых элементов, таких как кислород, которые ожидались бы в галактике, богатой звездами и звездным мусором. С металличностью менее 0,5% от солнечной, QSO1 является одной из самых нетронутых галактических сред, когда-либо измеренных.
|
|
|
|
«Это феноменальный результат, — сказал Майолино. — Это первое прямое измерение массы черной дыры в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва, и оно согласуется с предыдущими измерениями». Команда считает, что это хороший знак того, что предположения, используемые для косвенных измерений массы, являются обоснованными, и массы других черных дыр в ранней Вселенной не были переоценены.
|
|
|
|
Огромная масса QSO1 по сравнению с его галактикой-хозяином предполагает, что он не мог сформироваться постепенно из гораздо меньших черных дыр звездной массы, сливающихся и питающихся друг другом.
|
|
|
|
«Похоже, мы обнаружили черную дыру, у которой нет существенной галактики-хозяина и которая существовала до звездных процессов», — сказал Юоджбалис. «Это очень интересно, потому что это свидетельство существования первичных черных дыр или черных дыр прямого коллапса, которые были теоретически предсказаны, но не подтверждены».
|
|
|
|
Независимо от того, произошла ли эволюция черной дыры QSO1 из «тяжелого зародыша», образовавшегося в первую секунду Большого взрыва, или несколько позже в результате коллапса гигантского облака газа, она почти наверняка родилась большой и, возможно, находится на ранних стадиях формирования галактики вокруг себя.
|
|
|
|
Команда считает, что «маленькие красные точки», подобные QSO1, не могли быть редкостью в ранней Вселенной, и в настоящее время анализирует подобные объекты, чтобы выяснить, действительно ли сверхмассивные черные дыры существовали до галактик, в которых они сейчас находятся.
|
|
|
|
Источник
|
