Откриха най-старата свръхмасивна черна дупка до момента

Обект, витаещ в мъгливата зора на Вселената, изненада астрономите.

Наблюдения, направени посредством телескопа „Джеймс Уеб“, разкриха активна свръхмасивна черна дупка, чиято маса е 10 млн. пъти по-голяма от слънчевата. И тя нараства постоянно, като поглъща постоянно материал от пространството наоколо.

Тази свръхмасивна черна дупка се е образувала едва 570 млн. години след Големия взрив и това я прави най-стария и постоянно разрастващ се обект от този тип, засичан до момента. Учените обаче се надяват, че този рекорд скоро ще бъде подобрен.

Черната дупка е открита в една от най-ранните галактики, откривани някога – CEERS_1019 (доскоро наричана EGSY8p7). Тя би могла потенциално да хвърли повече светлина върху някои от най-големите мистерии, свързани със зората на Вселената, а именно – как черните дупки в Космическата зора са нараснали до такава степен за толкова кратък период от време.

Научен труд, описващ откритието и ръководен от астрофизичката Ребека Ларсън от Тексаския университет в Остин, е изпратено за публикация в The Astrophysical Journal и е налично онлайн в предпечатния сървър arXiv.

„Открихме най-далечното активно галактическо ядро (АГЯ) и най-далечната, най-старата черна дупка до момента“, казва Ларсън пред Science Alert.

Първоначално Ларсън наблюдава CEERS_1019 като част от работата си по изследване на светлината, генерирана от звездообразуването в ранната Вселена. Смята се, че тази светлина, наречена емисия Лайман-алфа, се генерира от йонизацията на неутралния водород в резултат на звездообразуването. Ранната Вселена е била изпълнена с мъгла от неутрален водород, която е пречела на светлината да се разпространява; едва след като този водород е бил йонизиран, светлината е могла да се разпространява свободно.

Тази т.нар. Епоха на рейонизация не е особено добре позната. Знаем, че се е състояла през първите милиарди години след Големия взрив преди 13,8 милиарда години, но определено е трудно да надникнем толкова далеч в ранната Вселена. CEERS_1019 и няколко други свръхранни галактики са отлични цели за тези изследвания, защото са сравнително ярки.

Източник: NASA’s Goddard Space Flight Center/Jeremy Schnittman

Галактиката е идентифицирана през 2015 г. в данните, събрани от Хъбъл, и по това време е най-ранната и най-отдалечената наблюдавана галактика. Последвалите наблюдения потвърждават съществуването ѝ, но впоследствие така и не успяваме да научим повече подробности за нея: най-ранната светлина във Вселената се е изместила толкова далеч в инфрачервената част на спектъра поради разширяването на Вселената, че за изследването ѝ е необходим мощен, специализиран инфрачервен инструмент от ранга на „Джеймс Уеб“.

Ето защо когато най-мощният телескоп в света най-накрая заработва, CEERS_1019 - най-ярката от галактиките на „Хъбъл“ от тази епоха – се очертава като очевидна цел. Телескопът я наблюдава с всичките си четири инструмента само един час, но успява да върне множество данни.

Първоначално Ларсън е изумена от количеството информация по темата, а впоследствие забелязва нещо, което не е очаквала. В допълнение към светлината, формирана вследствие от звездообразуването, се откроява и широка емисионна характеристика, която обикновено се свързва с АГЯ. И когато тя споменава това на изследователи, занимаващи се с тези обекти, нещата започват да стават интересни.

Обикновено една галактика в ранната Вселена излъчва светлина или от АГЯ, или от звездообразуване. Но и двете едновременно? Това е доста неочаквано.

"Бях също толкова изненадана, колкото и всички", казва Ларсън. "Седмици наред спорехме кое от двете трябва да е, дали едното или другото. И се оказа, че са и двете. Черната дупка оказва известно влияние върху емисионните линии, които виждаме, но по-голямата част от светлината на нашите изображения все още е доминирана от звездообразуващата част на галактиката."

Фактът, че свръхмасивна черна дупка е съществувала преди повече от 13,2 милиарда години и е била забелязана да се разраства, не е толкова изненадващ, колкото си мислите. В ранната Вселена са открити много по-големи черни дупки; J1342+0928, квазарна галактика, която вероятно се е образувала 690 милиона години след Големия взрив, има свръхмасивна черна дупка с големина 800 милиона слънца. Черната дупка в J0313-1806, 670 млн. години след Големия взрив, е 1,6 млрд. пъти по-голяма от нашата звезда.

И в двата квазара преобладават емисии на АГЯ. Според Ларсън и колегите ѝ CEERS_1019 вероятно е своеобразна междинна стъпка – един момент от еволюцията, позициониран между по-късните, по-големи галактики, доминирани от АГЯ, и начина, по който тези галактики и техните черни дупки са започнали да се формират.

"Ние не знаехме и все още не знаем как черните дупки в тези галактики са станали толкова масивни, толкова рано във Вселената", обяснява Ларсън.

"Така че това, което открихме, е нещо, което смятаме, че може да е прародителят или нещото, което се е превърнало в тези невероятно масивни квазари."

Що се от нася до свръмасивната черна дупка в CEERS_1019, изследователите смятат, че тя се е формирала от колапса на масивен обект, например една от първите звезди във Вселената. Тези звезди са били много по-големи от днешните, така че една черната дупка, образувана по такъв начин, би имала значителна преднина по пътя към превръщането си в свръхмасивен обект.

Но все пак е необходим някакъв тласък. Това би могло да се случи под формата на периодична супер Едингтъновската акреция. Границата на Едингтон е максималната устойчива скорост, с която черните дупки могат да растат. Материалът се върти около черната дупка в диск – той се влива в нея като вода в канализацията. Над границата на Едингтън материалът се движи толкова бързо, че вместо да обикаля около черната дупка, той отлита в пространството. Супер Едингтъновската акреция е възможна само за кратки периоди, но според моделирането на екипа тя би могла да се прояви в изблици, които са помогнали за растежа на черната дупка в центъра на CEERS_1019.

Най-добрият начин обаче да научим повече за тях е като открием повече междинни галактики, а това изглежда изключително постижимо. Както посочва Ларсън, резултатите са получени само от един час наблюдения. По-задълбочените наблюдения би следвало да разкрият по-далечни и дори по-слаби галактики, които най-накрая да ни помогнат да разберем как се е родила и как се е развивала Вселената.

"Не мисля, че моят рекорд ще издържи дълго", казва Ларсън. "И се надявам да не е така, защото тепърва започваме да отговаряме на тези въпроси, а това е далеч по-вълнуващо“.

Изследването е изпратено за публикация в The Astrophysical Journal и е достъпно в arXiv.

Източник: Science Alert