В ранней Вселенной нашли слишком большую сверхмассивную чёрную дыру

Группа астрономов сообщила об открытии сверхмассивной чёрной дыры (СЧД), которая образовалась всего через 500 млн лет после Большого взрыва. Никакая сверхновая в те времена не могла бы породить СЧД таких чудовищных размеров. Остаётся альтернативная версия о другом пути появления зародыша чёрной дыры, но к ней тоже есть вопросы.

Источник изображения: Chandra / JWST

Сделать удивительное открытие помог космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST). Но даже ему понадобилась помощь, чтобы заглянуть так далеко в раннюю Вселенную. Во-первых, астрономы использовали эффект гравитационного линзирования, чтобы ещё сильнее усилить свет от далёких звёзд. Во-вторых, для поиска чёрных дыр в далёких галактиках был задействован рентгеновский телескоп «Чандра» (Chandra). «Уэбб» искал подходящие галактики и измерял их красное смещение, а «Чандра» ловила рентгеновское излучение, которое чёрные дыры излучают в процессе питания веществом.

Из 11 кандидатов почти идеально (с отклонением 4 сигма) подошла галактика UHZ1 с красным смещением около 10. Она располагалась за массивным скоплением галактик Abell 2744, которое обеспечило «четырёхкратный зум». Измерения и расчёты показали, что в центре UHZ1 за слоями пыли и газа скрывается сверхмассивная чёрная дыра с массой порядка 10 млн солнечных. Масса СЧД равнялась массе всего остального вещества в галактике. Как она там выросла до таких размеров и к моменту наблюдения света от неё — это стало загадкой. Масса всех наблюдаемых в местной Вселенной чёрных дыр равна примерно 0,1 % массы вещества в галактиках, включая нашу.

Считается, что первые чёрные дыры стали появляться через 200 млн лет после Большого взрыва. Тем самым чёрной дыре в UHZ1 понадобилось всего 300 млн лет чтобы разрастись до колоссальных размеров. Обычное слияние к такому не могло привести, поскольку небольшие чёрные дыры не обладают необходимым гравитационным потенциалом. Развиться из фазы суперновой и очень и очень большой звезды в ранней Вселенной — это тоже не вариант. Такая чёрная дыра должна была бы питаться с удвоенной силой, что теоретически возможно, но практически маловероятно.

Остаётся последний вариант, который более-менее укладывается в наше понимание процессов во Вселенной. Предполагается, что зародыши СЧД могут также образовываться при коллапсе плотных газовых облаков в ранней Вселенной. В таком случае зародыш СЧД UHZ1 мог быть достаточно большим, чтобы вырасти до наблюдаемой в галактике черной дыры. Темп его роста всё ещё отвечает кормлению по пределу Эддингтона, благодаря которому мы можем рассчитать границы масс чёрных дыр. Такой объект обнаружен пока в единственном экземпляре во Вселенной, и это не позволяет говорить о тенденции.

Учёные призывают с осторожностью относиться к полученным результатам. Научное сообщество также демонстрирует осторожность к сделанному наблюдению. Так, первоначально статья об открытии появилась на сайте arxiv.org 24 мая 2023 года. В сентябре она была подвергнута очередной ревизии и только вчера её опубликовали в Nature Astronomy.

Кстати, новое и более обширное исследование по открытиям «Уэбба» в ранней Вселенной говорит о том, что данные о галактиках-переростках в те времена несколько преувеличены. Всё же, они встречаются существенно реже и не такие массивные, чем было сказано после первых наблюдений «Уэбба».