 астрономи помітили надмасивну чорну діру на "космічному світанку"){kind=link}
За допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST) астрономи помітили надмасивну чорну діру на “космічному світанку”, яка здається неймовірно масивною. Збентеження викликає той факт, що не схоже, щоб ця гігантська порожнеча ласувала великою кількістю навколишньої матерії в цей час – але, щоб досягти своїх величезних розмірів, можна було б очікувати, що вона була ненажерливою, коли почався час.
Надмасивну чорну діру, яка живить квазар у серці галактики J1120+0641, бачили такою, якою вона була, коли всесвіту було лише близько 5% від її нинішнього віку. Вона також має масу, яка в мільярд разів перевищує масу Сонця.
Хоча відносно легко пояснити, як ближчі, а отже, недавні надмасивні чорні діри виросли до мільярдів сонячних мас, процеси злиття і живлення, які сприяють такому зростанню, як очікується, займають близько мільярда років. Це означає, що знайти такі надмасивні чорні діри, які існували до того, як Всесвіту, якому 13,8 млрд років, виповнився мільярд років, – справжня дилема.
З моменту початку роботи влітку 2022 року космічного телескопа Джеймса Вебба виявився особливо ефективним у виявленні таких складних чорних дір на космічному світанку.
Одна з теорій раннього зростання цих порожнеч полягає в тому, що вони були залучені в божевільний режим годування, який називається “ультраефективним режимом годування”. Однак спостереження космічного телескопа Джеймса Вебба за надмасивною чорною дірою в J1120+0641 не виявили особливо ефективного механізму живлення в матерії в безпосередній близькості від неї. Цей висновок ставить під сумнів надшвидкий механізм росту надмасивних чорних дір і означає, що вчені можуть знати про ранню еволюцію космосу ще менше, ніж вони думали.
“Загалом, нові спостереження лише додають загадковості: Ранні квазари були шокуюче нормальними”, – заявила керівник групи та постдокторська дослідниця Інституту астрономії Макса Планка (MPIA) Сара Босман. “Незалежно від того, в якому діапазоні довжин хвиль ми їх спостерігаємо, квазари майже ідентичні в усі епохи Всесвіту”.
За останні 13,8 млрд років космічної історії галактики збільшувалися в розмірах, набуваючи маси або за рахунок поглинання навколишнього газу і пилу, або за рахунок поглинання менших галактик, або за рахунок злиття з більшими галактиками.
Близько 20 років тому, до того, як JWST та інші телескопи почали знаходити тривожні надмасивні чорні діри в ранньому Всесвіті, астрономи припускали, що надмасивні чорні діри в серцях галактик поступово зростали в ногу з процесами, які призвели до зростання галактик.
Насправді існують межі того, як швидко може рости чорна діра – межі, які ці космічні титани фактично допомагають встановлювати собі самі.
Через збереження кутового моменту матерія не може впасти безпосередньо в чорну діру. Замість цього навколо чорної діри утворюється сплющена хмара матерії, яка називається акреційним диском. Далі, величезна гравітація центральної чорної діри породжує потужні приливні сили, які створюють турбулентні умови в акреційному диску, нагріваючи його і змушуючи випромінювати світло в усьому електромагнітному спектрі. Це випромінювання настільки яскраве, що часто затьмарює сумарне світло всіх зірок у навколишній галактиці. Області, в яких все це відбувається, називаються квазарами, і вони є одними з найяскравіших небесних об’єктів.
Ця яскравість має й іншу функцію. Попри те, що світло не має маси, воно чинить тиск. Це означає, що світло, випромінюване квазарами, тисне на навколишню матерію. Чим швидше чорна діра, що живить квазар, живиться, тим більший тиск випромінювання і тим більша ймовірність того, що чорна діра перекриє власне джерело живлення і припинить рости. Точка, в якій чорні діри або будь-який інший акретор голодують, відштовхуючи навколишню матерію, відома як “межа Еддінгтона”.
Це означає, що надмасивні чорні діри не можуть харчуватися і рости так швидко, як їм хочеться. Таким чином, пошук надмасивних чорних дір з масою 10 млрд сонць у ранньому космосі, особливо менш ніж через мільярд років після Великого вибуху, є справжньою проблемою.
Для цього в січні 2023 року команда сфокусувала середньоінфрачервоний інструмент JWST (MIRI) на квазарі в центрі J1120+0641, розташованому на відстані 13 млрд світлових років від нас і видимому таким, яким він був лише через 770 млн років після Великого вибуху. Це дослідження є першим дослідженням квазара, який існував на світанку космосу, в середньому інфрачервоному діапазоні.
Спектр світла від цієї ранньої надмасивної чорної діри виявив властивості великого кільцеподібного “тору” з газу і пилу, який обертається навколо акреційного диска. Цей тор допомагає спрямовувати матерію до акреційного диска, звідки вона поступово подається до надмасивної чорної діри.
Спостереження MIRI за цим квазаром показали, що космічний ланцюг постачання функціонує подібно до “сучасних” квазарів, розташованих ближче до Землі, які, отже, існують у пізніші епохи Всесвіту. Це погана новина для прихильників теорії про те, що посилений механізм живлення призвів до швидкого зростання ранніх чорних дір.
Крім того, вимірювання області навколо надмасивної чорної діри, де матерія закручується майже зі швидкістю світла, узгоджуються зі спостереженнями тих самих областей сучасних квазарів.
Спостереження JWST за цим квазаром виявили одну суттєву відмінність між ним і його сучасними аналогами. Пил у торі навколо акреційного диска мав температуру близько 130 градусів за Цельсієм, що приблизно на 100 градусів гарячіше, ніж пилові кільця навколо надмасивних квазарів, що живляться від чорних дір, які можна побачити ближче до Землі.
Дослідження свідчить на користь іншого методу раннього зростання надмасивних чорних дір, який припускає, що ці космічні титани отримали фору в ранньому Всесвіті, сформувавшись з “насіння” чорних дір, які вже були масивними. Ці важкі насіння мали б мати масу, щонайменше, в сто тисяч разів більшу за масу Сонця, утворившись безпосередньо внаслідок колапсу ранніх і масивних хмар газу.
Читайте також: