Дослідники виявили найвіддаленішу активну надмасивну чорну діру на сьогоднішній день за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба. Галактика CEERS 1019 існувала трохи більше ніж через 570 мільйонів років після Великого вибуху, і її чорна діра менш масивна, ніж будь-яка інша, ідентифікована в ранньому Всесвіті.
Мало того, вони легко «витрясли» ще дві чорні діри, які також знаходяться на меншій стороні та існували через 1 і 1,1 мільярда років після Великого вибуху. Вебб також ідентифікував одинадцять галактик, які існували, коли Всесвіту було від 470 до 675 мільйонів років.
Докази були надані в дослідженні Webb’s Cosmic Evolution Early Release Science (CEERS), проведеному під керівництвом Стівена Фінкельштейна з Техаського університету в Остіні. Програма поєднує високодетальні зображення Webb у ближньому та середньому інфрачервоному діапазоні та дані, відомі як спектри, усі вони були використані для цих відкриттів.
Праворуч від центру знаходиться група яскраво-білих спіральних галактик, які, здається, звиваються одна в одну. По всій сцені пронизують світло-рожеві спіралі, схожі на вертушки, що крутяться на вітрі. Яскраві зірки переднього плану, відтінені синім кольором, сповіщають про себе яскравими восьмикутними дифракційними шипами Вебба. Не пропустіть незвичайне видовище: у нижньому ряду знайдіть квадрат, другий справа. На її правому краю деформована блакитна галактика вбрана в блакитно-рожеві блискучі зоряні скупчення.
Авторство: NASA, ESA, CSA, Стів Фінкельштейн (UT Austin), Мікаела Беглі (UT Austin), Ребекка Ларсон (UT Austin)
“Невелика” чорна діра
CEERS 1019 відрізняється не тільки тим, як давно вона існувала, але й тим, як відносно мало важить її чорна діра. Ця чорна діра має приблизно 9 мільйонів сонячних мас, що набагато менше, ніж інші чорні діри, які також існували в ранньому Всесвіті та були виявлені іншими телескопами. Ці гіганти зазвичай містять понад 1 мільярдразів більше маси Сонця – і їх легше виявити, оскільки вони набагато яскравіші. (Вони активно «їдять» матерію, яка світиться, обертаючись до чорної діри.)
Чорна діра в CEERS 1019 більше схожа на чорну діру в центрі нашої галактики Чумацький Шлях, яка в 4,6 мільйона разів більша за масу Сонця. Ця чорна діра також не така яскрава, як більш масивні бегемоти, виявлені раніше.
Незважаючи на менші розміри, ця чорна діра існувала набагато раніше, що досі важко пояснити, як вона утворилася так швидко після виникнення Всесвіту. Дослідники давно знали, що менші чорні діри мали існувати раніше у Всесвіті, але лише коли Вебб почав спостерігати, вони змогли зробити остаточне виявлення.
CEERS 1019 може утримувати цей рекорд лише кілька тижнів – заяви про інші, більш віддалені чорні діри, виявлені Веббом, наразі ретельно розглядаються астрономічною спільнотою.
Дані Вебба практично переповнені точною інформацією, тому ці підтвердження так легко витягти з даних.
«Погляд на цей далекий об’єкт за допомогою цього телескопа дуже схожий на перегляд даних із чорних дір, які існують у галактиках поблизу нашої, — сказала Ребекка Ларсон з Техаського університету в Остіні, яка очолила це відкриття. – Є так багато спектральних ліній для аналізу!».
Таємниці галактики CEERS 1019
Команда не тільки змогла визначити, які випромінювання в спектрі походять від чорної діри, а які від її головної галактики, вони також могли точно визначити, скільки газу поглинає чорна діра, і визначити швидкість утворення зірок у її галактиці.
Команда виявила, що ця галактика поглинає стільки газу, скільки може, водночас створюючи нові зірки. Вони звернулися до зображень, щоб дослідити, чому це могло бути. Візуально CEERS 1019 виглядає як три яскраві згустки , а не один круговий диск.
«Ми не звикли бачити стільки структури на зображеннях на таких відстанях, — сказав член команди CEERS Джейхан Карталтепе з Рочестерського технологічного інституту в Нью-Йорку. – Злиття галактик може бути частково відповідальним за активізацію чорної діри цієї галактики, і це також може призвести до збільшення утворення зірок».
Авторство: NASA, ESA, CSA, Лія Хустак (STScI)
Ще більше надзвичайно віддалених чорних дір і галактик
Аналіз CEERS обширний, і є ще багато чого для вивчення. Вчені швидко помітили ще одну пару маленьких чорних дір у даних.
Першу, у межах галактики CEERS 2782, було найлегше вибрати. Немає ніякого пилу, який закриває Веббу погляд на неї, тому дослідники могли відразу визначити, коли в історії Всесвіту існувала її чорна діра – лише через 1,1 мільярда років після Великого вибуху.
Друга чорна діра в галактиці CEERS 746 існувала трохи раніше, через 1 мільярд років після Великого вибуху. Її яскравий акреційний диск, кільце, що складається з газу та пилу, яке оточує надмасивну чорну діру, все ще частково затьмарене пилом.
«Центральну чорну діру видно, але наявність пилу свідчить про те, що вона може лежати в галактиці, яка також люто викидає зірки», — пояснив Коцевскі.
Подібно до тієї, що знаходиться в CEERS 1019, ці дві чорні діри також мають «легку вагу» — принаймні в порівнянні з раніше відомими надмасивними чорними дірами на таких відстанях. Вони лише приблизно в 10 мільйонів разів перевищують масу Сонця.
«Дослідники давно знали, що в ранньому Всесвіті повинні бути чорні діри меншої маси. Вебб — перша обсерваторія, яка може так чітко зафіксувати їх, — додав Коцевскі. – Тепер ми вважаємо, що чорні діри меншої маси можуть бути повсюди й чекати свого відкриття».
До Вебба всі три чорні діри були занадто слабкими, щоб їх можна було виявити.
«З іншими телескопами ці цілі виглядають як звичайні галактики, що утворюють зірки, а не як активні надмасивні чорні діри», — зазначив Фінкельштейн.
Чутливі спектри Вебба також дозволили цим дослідникам виміряти точні відстані до галактик у ранньому Всесвіті, а отже, й вік. Члени команди Пабло Аррабал Харо з NOIRLab NSF і Сейдзі Фудзімото з Техаського університету в Остіні ідентифікували 11 галактик, які існували через 470-675 мільйонів років після Великого вибуху.
Мало того, що вони надзвичайно далекі, примітно те, що було виявлено так багато яскравих галактик. Дослідники припустили, що Вебб виявить менше галактик, ніж їх можна знайти на таких відстанях.
«Я вражений кількістю дуже детальних спектрів віддалених галактик, які повернув Вебб, — сказав Аррабал Харо. – Ці дані абсолютно неймовірні».
У цих галактиках швидко утворюються зірки, але вони ще не настільки хімічно збагачені, як галактики, розташовані набагато ближче до дому.
Напрямок досліджень
«Вебб був першим, хто виявив деякі з цих галактик, — пояснив Фудзімото. – Цей набір разом з іншими далекими галактиками, які ми можемо ідентифікувати в майбутньому, може змінити наше розуміння утворення зірок і еволюції галактик протягом всієї космічної історії».
Це лише перші результати дослідження CEERS.
«Досі дослідження об’єктів у ранньому Всесвіті були в основному теоретичними, — сказав Фінкельштейн. – Завдяки Веббу ми не тільки можемо бачити чорні діри та галактики на екстремальних відстанях, але тепер ми можемо почати їх точно вимірювати. Це величезна потужність цього телескопа».
Можливо, у майбутньому дані Вебба також можуть бути використані для пояснення того, як утворилися ранні чорні діри, переглядаючи дослідницькі моделі того, як чорні діри росли та еволюціонували в перші кілька сотень мільйонів років історії Всесвіту.
