Открыта черная дыра из ранней Вселенной, которая вдвое массивнее всех звезд своей галактики

Космический телескоп «James Webb» впервые позволил астрономам напрямую измерить массу сверхмассивной черной дыры в одном из загадочных объектов ранней Вселенной – так называемых Little Red Dots («маленьких красных точек»). Результаты исследования опубликованы в журнале Nature и могут изменить представления о том, как формировались первые галактики и черные дыры.

Объект получил обозначение Abell2744-QSO1. Он находится настолько далеко, что его свет шел к Земле более 13 миллиардов лет: астрономы видят объект таким, каким он был всего через 700 миллионов лет после Большого взрыва.

Загадочная «маленькая красная точка»

«Little Red Dots» были обнаружены в первых глубоких обзорах «James Webb» и быстро стали одной из главных загадок ранней Вселенной. Эти крошечные красноватые объекты излучают необычно яркий инфракрасный свет. Ученые предполагали, что внутри них скрываются сверхмассивные черные дыры, однако оценки их массы оставались крайне неопределенными.

Галактика Abell2744-QSO1 оказалась особенно удобной для изучения благодаря эффекту гравитационного линзирования. Между объектом и Землей расположен гигантский кластер галактик Abell 2744, также известный как «Скопление Пандоры». Его огромная масса искривляет пространство-время и действует как космическая линза, увеличивая и даже создавая сразу три изображения далекого источника.

На снимках «James Webb» видны три изображения QSO1: QSO1A, QSO1B и QSO1C. Самое яркое из них, QSO1A, позволило провести детальный анализ структуры галактики.

Газ вращается вокруг невидимого центра

Для исследования астрономы использовали не только камеру NIRCam, но и спектрограф NIRSpec с интегральным полем IFU. Этот инструмент одновременно получает изображение объекта и сотни спектров, позволяя построить карту движения газа внутри галактики.

Наблюдения показали, что газ в QSO1 движется по законам кеплеровского вращения – так же, как планеты вращаются вокруг Солнца. Часть газа движется в сторону телескопа, а часть – от него, что определяется по доплеровскому смещению света.

Такая структура движения указывает на существование чрезвычайно массивного компактного объекта в центре – сверхмассивной черной дыры.

На основе скорости вращения газа исследователи рассчитали ее массу: около 50 миллионов масс Солнца.

Черная дыра массивнее своей галактики

Главный сюрприз исследования связан с соотношением массы черной дыры и самой галактики. В современных галактиках сверхмассивные черные дыры обычно составляют лишь небольшую долю массы звездного населения.

Однако в случае QSO1 ситуация совершенно иная: масса черной дыры составляет примерно две трети всей массы объекта и более чем вдвое превышает массу окружающего звездного вещества.

Это может означать, что в ранней Вселенной некоторые сверхмассивные черные дыры формировались раньше своих галактик и росли значительно быстрее звездного населения вокруг них.

Взгляд в эпоху рождения первых структур

Размер самого объекта составляет всего около 1300 световых лет – это чрезвычайно компактная система по сравнению с современными галактиками.

Исследователи подчеркивают, что работа дает одно из первых прямых измерений массы черной дыры в столь раннюю эпоху существования Вселенной. В дальнейшем «James Webb» сможет изучить еще больше подобных объектов и помочь понять, как возникли первые сверхмассивные черные дыры всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.