Сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной бросают вызов космологическим теориям

Художественное изображение яркой центральной области квазара, активной галактики. Сверхмассивная черная дыра в центре окружена ярким диском из газа и пыли. Самый внешний пылевой компонент может закрывать вид на внутреннюю часть и светится в основном в среднем инфракрасном диапазоне, свет, который можно проанализировать с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба. Пучок частиц высокой энергии выходит в космос из непосредственной близости от черной дыры перпендикулярно диску. Авторские права: © Т. Мюллер / MPIA

На удивление неудивительно: черная дыра уже в ранней Вселенной весила более миллиарда солнечных масс, несмотря на свой средний аппетит.

Если посмотреть на ранние стадии Вселенной, возраст которой составляет 13,8 миллиардов лет, Космический телескоп Джеймса Уэбба Он наблюдал галактику такой, какой она существовала всего 700 миллионов лет назад. великий взрыв. Это озадачивает, как Черная дыра Черные дыры в ее центре уже весили бы миллиард солнечных масс, когда Вселенная еще находилась в зачаточном состоянии. Наблюдения Джеймса Уэбба были направлены на то, чтобы поближе рассмотреть механизм кормления, но он не нашел ничего необычного. Очевидно, что черные дыры уже росли аналогично тому, что происходит сегодня. Но это открытие еще более важно: оно показывает, что астрономы знают о том, как формируются галактики, меньше, чем они думали. Однако измерения ни в коем случае не разочаровывают. Напротив.

Тайна ранних черных дыр

Первый миллиард лет истории Вселенной представляет собой серьезную проблему: самые старые из известных черных дыр в центрах галактик имели удивительно огромные массы. Как он так быстро стал таким большим? Описанные здесь новые наблюдения дают убедительные доказательства против некоторых из предложенных объяснений, особенно против «сверхэффективного режима питания» первых черных дыр.

Пределы роста сверхмассивных черных дыр

Звезды и галактики кардинально изменились за последние 13,8 миллиардов лет — возраст Вселенной. Галактики стали больше и приобрели большую массу либо за счет поглощения окружающего их газа, либо (иногда) за счет слияния друг с другом. Долгое время астрономы предполагали, что массивные черные дыры в центрах галактик постепенно разрастаются вместе с самими галактиками.

Но рост черной дыры не может быть сколь угодно быстрым. Материал, падающий на черную дыру, образует горячий яркий «аккреционный диск». Когда это происходит вокруг сверхмассивной черной дыры, в результате образуется активное ядро ​​галактики. Самые яркие из этих объектов, известные как квазары, входят в число самых ярких астрономических объектов во всей Вселенной. Но эта яркость ограничивает количество материи, которая может упасть на черную дыру: свет оказывает давление, которое может предотвратить падение дополнительной материи.

Как черные дыры так быстро стали такими массивными?

Вот почему астрономы были удивлены, когда наблюдения за далекими квазарами за последние 20 лет выявили вновь образовавшиеся черные дыры, однако их масса достигала десяти миллиардов солнечных масс. Свету требуется много времени, чтобы пройти путь от удаленного объекта до нас, поэтому смотреть на удаленные объекты — значит заглядывать в далекое прошлое. Мы видим самые далекие из известных квазаров такими, какими они существовали в эпоху, известную как «рассвет Вселенной», 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. Могут ли ранние черные дыры более эффективно накапливать газ, чем их современные аналоги? Или же наличие пыли может повлиять на оценки массы квазаров таким образом, что исследователи переоценят массу ранних черных дыр? В настоящее время предлагается множество объяснений, но ни одно из них не получило широкого признания.

Более пристальный взгляд на ранний рост черной дыры

Чтобы определить, какие объяснения верны (если таковые имеются), требуется более полная картина квазаров, чем была доступна ранее. С появлением космического телескопа Джеймса Уэбба и, в частности, инструмента среднего инфракрасного диапазона MIRI, способность астрономов изучать далекие квазары сделала огромный скачок. При измерении спектров далеких квазаров MIRI примерно в 4000 раз чувствительнее любого предыдущего устройства.

Такие инструменты, как MIRI, создаются международными консорциумами, в которых ученые, инженеры и техники тесно сотрудничают. Естественно, консорциум очень заинтересован в проверке того, работает ли их инструмент так, как планировалось. В обмен на создание инструмента консорциуму обычно предоставляется определенное время для мониторинга. В 2019 году, за несколько лет до запуска JWST, Европейский консорциум MIRI решил использовать часть этого времени для наблюдения за самым далеким из известных на тот момент квазаром — объектом, получившим название J1120+0641.

Наблюдение одной из древнейших черных дыр

Наблюдения были проанализированы доктором Сарой Босман, научным сотрудником Института астрономии Макса Планка и членом Европейского консорциума MIRI. Вклад MPIA в устройство MIRI включает создание ряда ключевых внутренних частей. Боузмана попросили присоединиться к сотрудничеству MIRI специально для того, чтобы предоставить экспертные знания о том, как лучше всего использовать инструмент для изучения ранней Вселенной, особенно первых сверхмассивных черных дыр.

Наблюдения были сделаны в январе 2023 года, во время первого цикла наблюдений телескопа Джеймса Уэбба, и продолжались около двух с половиной часов. Оно представляет 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 поступает не из изображения, а из спектра: разложения света объекта на компоненты разных длин волн, как в радуге.

Отслеживайте быстро движущуюся пыль и газ

Общая форма среднего инфракрасного («непрерывного») спектра кодирует характеристики большого пылевого кольца, окружающего аккреционный диск типичных квазаров. Это кольцо помогает направлять материю в аккреционный диск, «питая» черную дыру. Плохая новость для тех, кто предпочитает решать проблему ранних массивных черных дыр, заключается в альтернативных методах быстрого роста: кольцо и, следовательно, механизм питания в этом очень раннем квазаре, похоже, такие же, как и в его более современных аналогах. Единственная разница заключается в том, чего не предсказала ни одна модель быстрого роста ранних квазаров: температура пыли немного выше, примерно на сто Кельвинов выше, чем 1300 Кельвинов, обнаруженных в более горячей пыли менее удаленных квазаров.

Более коротковолновая часть спектра, в которой преобладают излучения самого аккреционного диска, показывает нам, далеким наблюдателям, что свет квазара не затемняется большим количеством пыли, чем обычно. Аргументы о том, что мы могли переоценивать массу ранних черных дыр из-за избыточной пыли, также не являются ответом.

Ранние квазары «шокирующе нормальны»

Область с очертаниями квазара, где сгустки газа вращаются вокруг черной дыры на скоростях, приближающихся к скорости света, что позволяет сделать выводы о массе черной дыры, плотности и ионизации окружающей материи, также кажется нормальной. Практически по всем характеристикам, которые можно вывести из спектра, J1120+0641 ничем не отличается от квазаров более поздних времен.

«В целом, новые наблюдения добавляют загадки: ранние квазары были шокирующе нормальными. Независимо от того, на каких длинах волн мы их наблюдаем, квазары почти идентичны во все эпохи Вселенной», — говорит Босман. Не только сами сверхмассивные черные дыры, но и механизмы их питания были полностью «зрелыми», когда возраст Вселенной составлял всего 5% от ее нынешнего возраста. Исключая ряд альтернативных решений, результаты убедительно подтверждают идею о том, что сверхмассивные черные дыры изначально имели большие массы, в астрономической терминологии: «первоначальные» или «массивные». Сверхмассивные черные дыры образовались не из останков ранних звезд, но затем они очень быстро росли. Они, должно быть, сформировались рано с начальной массой не менее 100 000 солнечных масс, возможно, в результате коллапса массивных ранних газовых облаков.

Ссылка: «Зрелый квазар на заре Вселенной, обнаруженный с помощью инфракрасной спектроскопии стационарного кадра JWST», Сара Э. И. Босман, Хавьер Альварес Маркес, Луис Колина, Фабиан Вальтер, Альмудена Алонсо Эрреро, Мартин Дж. Уорд, Горан Остлин, Томас Р. Грайф, Джиллиан Райт, Арьян Бек, Леандерт Богард, Карина Капоте, Лука Константин, Андреас Эккарт, Макарена Гарсия Марин, Стивен Гельманн, Йенс Хьорт, Эдоардо Янни, Оливье Ильберт, Ирис Джерман, Альваро Лабиано, Даниэль Лангеруди, Флориан Бискер, Пьерлуиджи Ринальди Мартин Топинка, Пол ван дер Верф, Мануэль Гёдель, Томас Хеннинг, Пьер-Оливье Лагаж, Том Б. Рэй, Юэн Ф. Ван Дешок и Барт Ванденбоше, 17 июня 2024 г. Естественная астрономия.
DOI: 10.1038/s41550-024-02273-0