Астрономы впервые получили и изучили спектр чрезвычайно яркой галактики в молодой Вселенной — объекта GN-z11, который долгое время оставался самой древней галактикой. Теперь ученые подтвердили, что в ее центре находится сверхмассивная черная дыра — пока что древнейшая из обнаруженных во время наблюдений.
Галактика GN-z11. Снимок из обзора GOODS / © NASA, ESA, P. Oesch (Yale University), G. Brammer (STScI), P. van Dokkum (Yale University), and G. Illingworth (University of California, Santa Cruz)
Международная группа исследователей под руководством ученых из Кембриджского университета (Великобритания) с помощью данных, собранных космическим телескопом «Джеймс Уэбб», подтвердила наличие черной дыры в центре далекой галактики GN-z11. Мы видим ее такой, какой она была всего через 400 миллионов лет после Большого взрыва. Ее красное смещение z = 10,6.
Сами черные дыры не излучают, поэтому выводы об их наличии или отсутствии ученые могут делать лишь по косвенным признакам, например по излучению материи, падающей в дыру. В 2023 году другая группа ученых опубликовала первый анализ спектра GN-z11 по данным инструмента NIRCam. Тогда исследователи пришли к выводу, что яркость и особенности излучения свидетельствуют об активном звездообразовании. Тем не менее они не смогли исключить вероятность существования в этой галактике активного ядра.
В новой работе ученые проанализировали более точный спектр GN-z11. В нем они нашли спектральные особенности, которые лучше всего объясняются как раз через наличие активного ядра, то есть сверхмассивной черной дыры, активно поглощающей материю. Если точнее, это сейфертовская галактика первого типа с узкими линиями (NLSy1).
Авторы исследования рассмотрели вероятность, что характерное излучение создается лишь звездами, в частности Вольфа — Райе. Но пришли к выводу, что даже если такие звезды есть в GN-z11, они должны «соседствовать» с активным ядром. Статья опубликована в журнале Nature.
По оценке ученых, масса этой сверхмассивной черной дыры — примерно 1,6 миллиона солнечных масс. Для сравнения: масса дыры в центре Млечного Пути — около 4,31 миллиона солнечных. Черной дыре, образовавшейся из умершей звезды, понадобился бы миллиард лет, чтобы вырасти до таких размеров. Поэтому либо первоначальный объект изначально был крупными (например, образовался напрямую при коллапсе облака), либо он поглощал материю гораздо быстрее, чем считают возможным ученые.
«Эта черная дыра слишком массивна для такой молодой Вселенной, поэтому мы обязаны рассмотреть другие сценарии ее формирования. Самые ранние галактики были чрезвычайно богаты газом, так что они были идеальным „застольем“ для черных дыр», — объяснил главный автор исследования профессор Роберто Майолино (Roberto Maiolino). Но это несет печальные последствия для самой галактики.
Галактика GN-z11 очень компактна, примерно в 100 раз меньше Млечного Пути. Настолько активное ядро, вероятно, тормозит ее развитие, поглощая и отбрасывая ветром слишком много материи. В таких условиях звездообразование может остановиться, и тогда галактика «умрет», а вместе с ней «заглохнет» черная дыра, ведь у нее пропадет источник питания.
Существует множество гипотез о том, как в молодой Вселенной, в течение одного миллиарда лет, могли сформироваться столь массивные черные дыры. Во-первых, ученые рассматривают разные сценарии появления «зерен», из которых потом выросли эти объекты. Например, космологи, придерживающиеся циклической модели, предполагают, что сравнительно крупные черные дыры попали в текущую Вселенную из ее прошлого цикла (реликтовые черные дыры). Во-вторых, изучаются разные модели аккреции материи.
Чтобы сопоставить эти сценарии с реальностью, нужно накопить базу данных по древнейшим сверхмассивным черным дырам. Теперь, благодаря новым инструментам, это стало возможно.
«Наступила новая эра: гигантский скачок в чувствительности, особенно в инфракрасной части спектра. Это можно сравнить с одномоментным переходом от телескопа Галилео к современному телескопу», — отметил Майолино.
