Свръхмасивна черна дупка, която се намира в Космическата зора, е най-старата, която някога сме виждали.

Тя е забелязана в галактика, известна като UHZ1, само 470 милиона години след Големия взрив - период, в който Вселената е била още бебе. Всъщност това е толкова ранна фаза от развитието на Вселената, че черната дупка е на етап, който не сме виждали досега - с маса, подобна на тази на галактиката-приемник, която расте около нея.

Дупката се намира на толкова голямо разстояние от нас, че светлината от нея е пътувала цели 13,2 млрд. години, преди да ни достигне. Освен това за откриването ѝ в мрачните дълбини на времето и пространството е била необходима обединената мощ на рентгеновата обсерватория "Чандра", космическия телескоп "Джеймс Уеб" (JWST), както и една странност на теорията на относителността.

Според екипа, ръководен от астрофизика Акос Богдан от Центъра по астрофизика "Харвард-Смитсониън", откритието представлява ключово доказателство за начина на формиране на свръхмасивни черни дупки, който изисква директен гравитационен колапс на огромен облак газ в свръхплътен обект, който след това става все по-голям и по-голям с течение на времето.

"Съществуват физически ограничения за това колко бързо могат да растат черните дупки, след като са се формирали, но тези, които се раждат по-масивни, имат предимство", казва астрофизикът Анди Гулдинг от Принстънския университет. "Това е все едно да засадите фиданка, на която й е необходимо по-малко време, за да се превърне в пълноразмерно дърво, отколкото ако започнете само със семе."

Диаграма, илюстрираща модела на директен колапс при формирането на свръхмасивни черни дупки. (NASA/STScI/Leah Hustak)

Свръхмасивните черни дупки са почти невъобразимо огромни. Стрелец А*, свръхмасивната черна дупка в сърцето на Млечния път, е 4,3 милиона пъти по-голяма от масата на Слънцето - и е сравнително малка.

Всъщност не знаем как тези обекти стават толкова огромни, но едно нещо става пределно ясно: в ранната Вселена има много повече такива обекти, отколкото сме очаквали, и те са твърде масивни, за да се превърнат в нещо с размерите на звезда толкова скоро след Големия взрив.

Най-добрият начин да разберем какво се случва е да разгледаме и да направим изводи въз основа на това, което наблюдаваме. На теория може и да звучи лесно, но на практика – не е.

Космическата зора, която обхваща първите около милиард години след Големия взрив, е наистина много далече и всяка светлина в тези далечни области е много слаба и много червена, отслабена от разтягането на разширяващото се пространство-време.

Местоположението на UHZ1 зад Abell 2744. (Bogdan et al., arXiv, 2023)

JWST е най-мощният космически телескоп, създаван някога, и вижда Вселената в тази червена светлина. Но дори и това не е достатъчно.

За да забележат UHZ1, Богдан и екипът му използват една странност на относителността, наречена гравитационни лещи. Те съществуват, защото огромна гравитация на едно място, като например гравитацията на клъстер от галактики, кара самото пространство-време да се извива около него. Всяка светлина, която преминава през това изкривено пространство-време от по-отдалечени части на Вселената, може да се увеличи, възпроизведе и изкриви.

UHZ1 се намира отвъд куп галактики, отдалечен на около 3,5 милиарда светлинни години, наречен Abell 2744, чиято гравитация предизвиква четирикратно увеличение на светлината на UHZ1. Това означава, че JWST може да открои светлината на самата галактика, а "Чандра" е в състояние да различи рентгеновото излъчване от газа, който се върти около свръхмасивната черна дупка в нейния център.

По тази светлина Богдан и екипът му изчисляват масата както на черната дупка, така и на галактиката около нея. Ако черната дупка поглъща материал с максималната възможна скорост, нейната маса е между 10 и 100 милиона пъти по-голяма от масата на Слънцето. Т.е. приблизително същата като тази на останалите звезди в галактиката UHZ1, взети заедно, установяват изследователите.

Обикновено съотношението между масата на черната дупка и тази на галактиката-приемник е около половин процент. Масите тук предполагат, че UHZ1 и нейната черна дупка са все още в съвсем ранен стадий и че семето на черната дупка трябва да се е образувало от директен колапс, а не от бавна акреция.

"Смятаме, че това е първото откритие на "извънразмерна черна дупка" и най-доброто доказателство, получено досега, че някои черни дупки се формират от масивни облаци газ", казва астрофизикът Приямвада Натараджан от Йейлския университет. "За първи път наблюдаваме кратък етап, в който свръхмасивната черна дупка тежи приблизително колкото звездите в нейната галактика, преди да изостане."

Това не означава, че моделът на бавната акреция също не може да бъде верен, поне за някои свръхмасивни черни дупки. Все повече доказателства обаче сочат, че поне в много ранната Вселена директният колапс е най-добрият начин за създаване на свръхголяма черна дупка.

И все пак тепърва ни предстои да видим какво ще открие JWST в ранната Вселена. Мъглявата зора на времето несъмнено крие още изненади.

Изследването е прието в Nature Astronomy и е достъпно на сървъра за препринти arXiv.

Източник: Science Alert