Науковці знову побачили на знімку космічного телескопа James Webb надмасивну чорну діру, яка занадто велика для свого часу. Цього разу вона перебуває всередині «галактичної нитки», яка вміщує одразу кілька зоряних систем.
Надто гігантська чорна діра для своєї галактики
Астрономи, використовуючи космічний телескоп James Webb, отримали одне з найчіткіших зображень того, як рання надмасивна чорна діра може рости всередині мережі молодих галактик. Компактна активна галактика, яку ми бачимо такою, якою вона була лише через мільярд років після Великого вибуху, розташована поруч із ниткою завдовжки 12 000 парсеків, що містить кілька галактик. Очікується, що протягом кількох сотень мільйонів років вони зіллються в одну. Результати дослідження свідчать, що астрономи спостерігають короткочасну фазу еволюції чорних дір, які стрімко нарощують масу, а також процес формування перших масивних галактик у ранньому Всесвіті.
З моменту початку роботи James Webb астрономи виявили популяцію компактних галактик із чорними дірами, які активно нарощують масу, у перший мільярд років існування Всесвіту. Багато із цих чорних дір виявилися надто масивними для своїх галактик: деякі з них мають масу, в 10–100 разів більшу, ніж передбачають сучасні моделі.
Ця конкретна чорна діра, у галактиці, відомій як GN-77652, спостерігається на червоному зміщенні 5,23. Вона важить близько 11 млн сонячних мас, тоді як її материнська галактика містить лише близько 170 млн сонячних мас, що робить її приблизно у 300 разів важчою, ніж очікувалось за співвідношенням між чорними дірами та їхніми галактиками у близькому Всесвіті.
Група галактик із п’яти джерел на різних стадіях еволюції
Під керівництвом Джулії Тоззі з Інституту позаземної фізики Макса Планка команда використала інтегрально-польовий спектрограф NIRSpec на телескопі James Webb у межах програми BlackTHUNDER, а також глибоке знімкування NIRCam, щоб детально змалювати регіон навколо GN-77652.
Виявилося, що це кипляче середовище містить ще чотири скупчення газу та зір, розміром із галактики, позначені як B, C, D та E. Всі вони перебувають приблизно на одному червоному зсуві. Ці скупчення розташовані вздовж нитки на відстанях від 2,4 до 11,6 кілопарсека від GN-77652.
Цікаво, що GN-77652 не є найбільш масивною галактикою у групі. Джерела B та D у 10 разів важче за зорями. Газ по всій структурі, здається, збігається до джерела B, розташованого близько до центру комплексу, що натякає на те, що вся система може об’єднатися в одну.
П’ять джерел відрізняються до одного порядку величини за зоряною масою, швидкістю утворення світил і хімічним збагаченням, що свідчить про те, що кожен компонент перебуває на різній стадії еволюції.
Галактика GN-77652 демонструє плавний градієнт швидкостей, характерний для невеликого газового диска, що обертається. Як зазначають автори статті, ця особливість досі виявлена лише в небагатьох компактних галактиках з активними чорними дірами. Такий розподіл швидкостей свідчить, що рух газу визначається переважно гравітацією. Подібну картину спостерігають і у звичайних галактиках, де активно формуються зорі, на таких самих червоних зміщеннях. Це означає, що GN-77652 більше схожа на впорядковану галактику, ніж на систему, сильно збурену взаємодіями чи злиттями.
Можлива друга чорна діра
Найпоказовішим результатом є дані з джерела B, що розташоване всього за 2,4 кілопарсека (в проєкції) від GN-77652. Діагностичні співвідношення емісійних ліній вказують на те, що газ іонізується чимось енергійнішим, ніж просто світлом зір.
Щоб перевірити, чи могла ця іонізація бути світлом від GN-77652, яке доходить і освітлює газ B, команда розрахувала, скільки іонізуючого випромінювання знадобилося б.
Науковці виявили, що потрібна інцидентна яскравість на понад два порядки вища, ніж та, яку чорна діра GN-77652 могла б реально забезпечити — це виключає GN-77652 як джерело і вказує на другу, окрему чорну діру в B. Якщо це підтвердиться, система стане однією з небагатьох відомих пар надмасивних чорних дір, виявлених на такому ранньому етапі історії Всесвіту.
Команда також перевірила, чи могла чорна діра GN-77652 утворитися через «прямий колапс» — процес, за якого щільна хмара газу безпосередньо колапсує у масивне ядро чорної діри, пропускаючи проміжний етап утворення зір. Вимірюючи поле випромінювання, створене навколишньою ниткою, вони виявили, що воно трохи поступається інтенсивності, якої вимагав би такий процес.
Дослідники зазначають, що випромінювання могло бути значно інтенсивнішим у минулому. Або ж чорна діра в GN-77652 може виявитися первинною чи бути викинутою із сусідньої галактики внаслідок гравітаційних взаємодій.
Злиття групи галактик у майбутньому
Спираючись на розділення та маси, команда розраховує, що вся група галактик повинна злитися в одну приблизно за 150–440 млн років. Моделюючи, як за цей час можуть зростати чорна діра та зоряна маса об’єднаної системи, вони виявляють, що співвідношення між ними стабілізується значно ближче до того, що спостерігається в типових галактиках сьогодні.
Команда робить висновок, що компактний, надмірно масивний вигляд GN-77652, ймовірно, відображає короткочасну еволюційну фазу, що узгоджується з більш загальною тенденцією того, що такі об’єкти стають рідкіснішими на нижчих червоних зсувах у міру старіння Всесвіту.
Команда каже, що для підтвердження наявності другої чорної діри у джерелі B та кращого відстеження розвитку цієї системи з часом потрібна подальша спектроскопія телескопом James Webb, що націлена на більше емісійних ліній із вищою роздільною здатністю.
