Сверхмассивные черные дыры расположены в центрах большинства крупных галактик. Считается, что их масса связана с характеристиками окружающих звездных систем: например, с массой центрального балджа галактики или скоростью движения светил. Однако проверить, работали ли эти связи в ранней Вселенной, до сих пор не удавалось.
Большинство оценок массы далеких черных дыр получают по активным ядрам галактик — ярким квазарам, в которых вещество интенсивно падает на черную дыру и разогревается до огромных температур. Правда, этот метод связан с большими неопределенностями и плохо подходит для изучения спокойных, неактивных объектов.
Международная группа астрономов под руководством Эндрю Б. Ньюмана (Andrew B. Newman) из Университета Южной Калифорнии (США) наблюдала галактику MRG-M0138 такой, какой она была примерно 3,5 миллиарда лет назад. На пути к Земле ее свет проходит через массивное скопление галактик, которое действует словно гигантская космическая линза, увеличивая изображение почти в 30 раз. Благодаря этому ученые смогли рассмотреть детали, обычно остающиеся недоступными даже для самых мощных телескопов.
Наблюдения вели с помощью спектрографа NIRSpec, установленного на борту космической обсерватории «Джеймс Уэбб». Прибор позволил измерить скорости движения звезд в разных участках галактики. Именно по этим движениям можно определить распределение массы: чем быстрее светила обращаются вокруг центра, тем сильнее там гравитация. Затем исследователи построили подробные динамические модели галактики, учтя вклад звезд, темной материи и возможной черной дыры.
Анализ центральной области галактики выявил резкий пик скоростей звезд, который невозможно объяснить только звездным населением или темной материей. Модели без черной дыры систематически не совпадали с данными. Наилучший результат получился только при наличии объекта массой шесть миллиардов Солнц.
Исследователи проверили и альтернативный сценарий — компактное скопление темной материи вокруг древнего космического «монстра». Однако для объяснения наблюдений такая структура должна была бы обладать нереалистично высокой плотностью. При этом сама черная дыра сейчас практически неактивна. Спектроскопические наблюдения не выявили признаков мощного аккреционного диска, а оценка светимости показала крайне низкую интенсивность поглощения вещества. То есть этот космический гигант уже сформировался, но к моменту наблюдения почти перестал расти.
Сравнение с современными галактиками вовсе указало на то, что масса черной дыры примерно в 12 раз выше, чем можно было бы ожидать. Связь между массой объекта и скоростью движения звезд сохранилась и оказалась почти такой же, как у галактик в современной Вселенной. Следовательно, черные дыры могли набирать массу быстрее своих родительских галактик. Сами галактики продолжали перестраиваться, наращивая звездное население уже после основной фазы роста черной дыры.
Авторы научной работы, опубликованной в журнале Science, предположили, что в прошлом MRG-M0138 пережила яркую фазу квазара. В таком случае активная черная дыра интенсивно поглощала бы вещество, выделяя огромное количество энергии. Последняя способна выдувать газ из галактики и подавлять образование новых звезд. Этот сценарий хорошо согласуется с современными теориями, согласно которым сверхмассивные черные дыры играют важную роль в эволюции галактик и могут фактически «выключать» звездообразование.
Исследование открывает новый способ изучения черных дыр в ранней Вселенной. Если раньше прямые измерения были возможны лишь для сравнительно близких галактик, то сочетание возможностей «Уэбба» и гравитационного линзирования позволяет заглянуть в далекое прошлое.