Чёрная дыра в ранней Вселенной поглощает слишком много материи

На этой иллюстрации художника изображена красная карликовая галактика ранней Вселенной, в центре которой находится быстро питающаяся черная дыра. Используя данные JWST НАСА и рентгеновской обсерватории Чандра, группа астрономов Национального научного фонда США NOIRLab обнаружила эту маломассивную черную дыру в центре галактики всего через 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва. Она аккрецирует материю с феноменальной скоростью — более чем в 40 раз превышающей теоретический предел. Несмотря на то, что эта черная дыра просуществовала недолго, «пиршество» может помочь астрономам объяснить, как сверхмассивные черные дыры росли так быстро в ранней Вселенной. Автор: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/M. Zamani

Сверхмассивные черные дыры существуют в центре большинства галактик, и современные телескопы продолжают наблюдать за ними на удивительно ранних этапах эволюции Вселенной.

Трудно понять, как эти черные дыры смогли вырасти до таких размеров и так быстро. Но с открытием сверхмассивной черной дыры с малой массой, поглощающей материал с экстремальной скоростью, всего через 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва, астрономы теперь имеют ценные новые знания о механизмах быстрого роста черных дыр в ранней Вселенной.

LID-568 был открыт межведомственной группой астрономов во главе с астрономом Международной обсерватории Gemini/NSF NOIRLab Хевон Су. Они использовали космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) для наблюдения за выборкой галактик из обзора наследия рентгеновской обсерватории Chandra COSMOS.

Эта популяция галактик очень ярка в рентгеновской части спектра, но невидима в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах. Уникальная инфракрасная чувствительность JWST позволяет ему обнаруживать эти слабые сопутствующие излучения.

Объект LID-568 выделялся в образце своим интенсивным рентгеновским излучением, однако его точное положение не могло быть определено только на основе рентгеновских наблюдений, что вызвало опасения по поводу правильного центрирования цели в поле зрения JWST.

Поэтому вместо использования традиционной щелевой спектроскопии ученые по поддержке приборов JWST предложили команде Су использовать интегральный спектрограф поля на NIRSpec JWST. Этот прибор может получить спектр для каждого пикселя в поле зрения прибора, а не ограничиваться узким срезом.

NIRSpec от JWST позволил команде получить полный обзор своей цели и ее окрестностей, что привело к неожиданному открытию мощных оттоков газа вокруг центральной черной дыры. Скорость и размер этих оттоков привели команду к выводу, что значительная часть роста массы LID-568 могла произойти в одном эпизоде быстрой аккреции.

«Этот счастливый результат добавил новое измерение к нашему пониманию системы и открыл захватывающие возможности для исследований», — говорит Су.

В ошеломляющем открытии Су и ее команда обнаружили, что LID-568, по-видимому, питается материей со скоростью, в 40 раз превышающей предел Эддингтона. Этот предел относится к максимальной светимости, которую может достичь черная дыра, а также к тому, насколько быстро она может поглощать материю, так что ее внутренняя гравитационная сила и внешнее давление, создаваемое теплом сжатой, падающей материи, остаются в равновесии.

Когда расчетная светимость LID-568 оказалась намного выше теоретически возможной, команда поняла, что в их данных есть что-то выдающееся.

«Эта черная дыра устраивает пир», — говорит астроном и соавтор Международной обсерватории Джемини/NSF NOIRLab Джулия Шарвэхтер.

«Этот экстремальный случай показывает, что механизм быстрого питания выше предела Эддингтона является одним из возможных объяснений того, почему мы видим эти очень тяжелые черные дыры так рано во Вселенной».

На этой иллюстрации художника изображена быстро питающаяся черная дыра, которая испускает мощные потоки газа. Используя данные JWST НАСА и рентгеновской обсерватории Чандра, группа астрономов Национального научного фонда США NOIRLab обнаружила эту маломассивную черную дыру в центре галактики всего через 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва. Она аккрецирует материю с феноменальной скоростью — более чем в 40 раз превышающей теоретический предел. Несмотря на то, что эта черная дыра просуществовала недолго, «пиршество» может помочь астрономам объяснить, как сверхмассивные черные дыры росли так быстро в ранней Вселенной. Автор: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/M. Zamani

Эти результаты дают новое понимание формирования сверхмассивных черных дыр из более мелких "семян" черных дыр, которые, согласно современным теориям, возникают либо в результате смерти первых звезд во Вселенной (легкие семена), либо в результате прямого коллапса газовых облаков (тяжелые семена). До сих пор эти теории не имели наблюдательного подтверждения.

«Открытие сверхэддингтоновской аккрецирующей черной дыры предполагает, что значительная часть роста массы может происходить в течение одного эпизода быстрого питания, независимо от того, возникла ли черная дыра из легкого или тяжелого семени», — говорит Су.

Открытие LID-568 также показывает, что черная дыра может превзойти свой предел Эддингтона, и дает астрономам первую возможность изучить, как это происходит.

Возможно, что мощные оттоки, наблюдаемые в LID-568, могут действовать как выпускной клапан для избыточной энергии, генерируемой экстремальной аккрецией, предотвращая тем самым слишком большую нестабильность системы. Для дальнейшего изучения действующих механизмов команда планирует последующие наблюдения с помощью JWST.

Больше информации: A super-Eddington-accreting black hole ~1.5 Gyr after the Big Bang observed with JWST, Nature Astronomy (2024). DOI: 10.1038/s41550-024-02402-9. www.nature.com/articles/s41550-024-02402-9

Источник: Association of Universities for Research in Astronomy