За допомогою космічного телескопа “Джеймс Вебб” (JWST) астрономи виявили, що надмасивні чорні діри в центрах ранніх галактик набагато масивніші у співвідношенні до своїх галактик, ніж очікувалося.
Ці напрочуд масивні чорні діри пропонують нове розуміння походження всіх надмасивних чорних дір, а також ранніх стадій життя їхніх галактик, розповідається у пресрелізі Гарвардського університету.
Порушення співвідношення
У близьких до нас зрілих галактиках, таких як і наш рідний Чумацький Шлях, сумарна маса зір значно переважає масу надмасивної чорної діри у галактичному центрі приблизно у співвідношенні 1000 до 1. Однак у нововідкритих далеких галактиках ця різниця в масі падає до 100 або 10 до 1, і навіть до 1 до 1. Тобто в ранніх галактиках центральна чорна діра може мати масу, що дорівнює сукупній масі всіх зір своєї галактики.
Дані про несподівано масивні чорні діри у молодих галактиках астрономи отримали за допомогою надпотужної космічної інфрачервоної обсерваторії JWST. До введення в експлуатацію “Вебба” два роки тому вчені, як правило, обмежувалися у своїх дослідженнях далеких чорних дір надзвичайно яскравими квазарами, тобто чорними дірами при активному поглинанні матерії, які повністю засвітлюють зорі у своїх галактиках.
“Завдяки JWST ми нарешті можемо спостерігати менші за масою, але все ще надмасивні чорні діри в малих, далеких галактиках, а також бачити зорі в цих галактиках”, — каже Фабіо Пакуччі, науковий співробітник Гарвардсько-Смітсонівського Центру астрофізики (CfA). “Це дозволяє нам вперше вивчати ранні чорні діри й галактики, що їх містять, у процесі їхньої спільної еволюції”.
Пакуччі є провідним автором нового дослідження, опублікованого в журналі The Astrophysical Journal Letters, в якому повідомляється про отримані результати.
“Ми дізналися, що далекі молоді галактики порушують співвідношення між масою чорної діри й масою зір, яке дуже добре встановлене в близьких, зрілих галактиках: ці первісні чорні діри, безсумнівно, надмасивні відносно зоряного населення своїх господарів”, — вказує співавтор дослідження Роберто Майоліно, професор Кембридзького університету (Великобританія). “За допомогою JWST можна буде точно визначити, як утворилися перші надмасивні чорні діри, знайшовши чорні діри, які перебувають далі та є меншими, ніж ті, що були знайдені до цього часу, та які, за прогнозами нашого дослідження, будуть досить численними”.
Аналіз ранніх надмасивних чорних дір
Для цього дослідження науковці провели статистичний аналіз вибірки з 21 галактики, віддалених від нас приблизно на 12–13 мільярдів років, дані про які було взято з трьох опублікованих оглядів JWST.
Всі ці галактики містять центральні чорні діри з типовими масами, які, за оцінками, у десятки й сотні мільйонів разів перевищують масу нашого Сонця — вже надмасивні, але порівняно мізерні порівняно з чорними дірами, що живлять більшість далеких квазарів, які спостерігаються на сьогодні та можуть похвалитися масою, що в мільярди разів більше маси Сонця.
“Загалом ми бачимо, що чорні діри в молодих галактиках, які спостерігає JWST, приблизно у десять-сто разів масивніші, ніж пророкує співвідношення масштабів у місцевому всесвіті”, — говорить співавтор дослідження Сяохуй Фан, професор Аризонського університету. “Відношення зоряної маси до маси чорної діри в ранніх галактиках було набагато нижчим тоді, понад десяток мільярдів років тому, порівняно з теперішнім часом. Цей результат має важливі наслідки для вивчення перших популяцій чорних дір”.
Дослідники сподіваються, що точна оцінка цього співвідношення має допомогти зрозуміти, як виникли попередники надмасивних чорних дір — так звані насіння чорних дір.
Як могли утворитися попередники надмасивних чорних дір
Астрономами загалом окреслено два основні шляхи утворення: з “легкого” та “важкого” насіння.
Легке насіння чорних дір мало б відносно невелику масу, приблизно у 100–1000 разів більшу за сонячну. Воно б сформувалося як залишки найперших, колосальних зір Всесвіту.
На противагу, важке насіння чорних дір почало б формуватися з масами від 10 000 до 100 000 мас Сонця. Таке важке насіння теоретично могло б виникнути внаслідок прямого гравітаційного колапсу титанічних газових хмар.
Шлях з важким насінням, разом з умовами для зростання з набагато вищої стартової точки, могло сприяти своєчасному формуванню дуже ранніх надмасивних чорних дір, які астрономи відкривають останніми двадцятьма роками на дедалі більших відстанях.
Результати дослідження підтверджують ідею з важким насінням, оскільки симуляції та теоретичні розрахунки цього шляху передбачають, що чорні діри повинні бути приблизно такими ж масивними або навіть масивнішими, ніж зоряний компонент молодих галактик, в яких вони мешкають.
Ще є питання
Але залишається широко відкритим астрофізичним питанням те, як галактики потім формувалися та еволюціонували навколо первісного насіння чорних дір. Чи чорні діри зростали переважно шляхом втягування газу, чи внаслідок злиття з іншими чорними дірами? І чи зоряна маса накопичувалася переважно всередині галактики, чи були потрібні злиття з іншими, більшими галактиками?
Дослідники очікують, що відповіді почнуть матеріалізуватися з додатковими дослідженнями за допомогою JWST.
“Протягом космічного часу ми знаємо, що відношення маси зір до маси чорної діри [у галактиці] поступово наближається до локального співвідношення 1000 до 1, характерного для сучасного Всесвіту. Це відбувається, коли чорна діра та її галактична система еволюціонують разом, зливаючись з іншими галактиками та утворюючи легіони зірок”, — каже Пакуччі. “Ми все ще працюємо над тим, щоб зазирнути у всесвіт достатньо глибоко, щоб зрозуміти, як все це почалося”.
