«Джеймс Уэбб» напрямую взвесил сверхмассивную черную дыру в маленькой красной точке

Инфракрасный космический телескоп «Джеймс Уэбб» позволил астрономам напрямую измерить массу сверхмассивной черной дыры в маленькой красной точке Abell 2744−QSO1 в виде троекратно линзированного квазара. Оказалось, что внутри него находится массивный зародыш сверхмассивной черной дыры на самой ранней стадии дальнейшего роста за счет аккреции газа. Возникнуть он мог за счет коллапса газовых облаков или из первичной черной дыры, хотя во втором случае есть проблемы с соответствием модели новым данным. Статья опубликована в журнале Nature. 

Маленькие красные точки впервые обнаружены «Джеймсом Уэббом» в 2022 году и получили свое название за цвет и компактность. К настоящему времени считается, что большая часть этих объектов представляет собой очень далекие галактики или квазары, содержащие активные сверхмассивные черные дыры и способные переживать рост за счет звездообразования. В этом случае маленькие красные точки составляют около 15–30 процентов от всей популяции известных активных галактических ядер. Однако эти объекты плохо описываются стандартными моделями активных галактик, в том числе из-за необычно больших масс черных дыр, существовавших в молодой Вселенной. Чтобы объяснить быстрый рост черных дыр в те времена, применяются модели сверхэддингтоновской аккреции или очень массивных зародышей черных дыр, включая экзотические первичные черные дыры. Однако не исключается, что данные наблюдений, на основании которых строятся модели, могут быть неточными, а массы некоторых черных дыр способны оказаться завышенными, вплоть до двух порядков. 

Группа астрономов во главе с Игнасом Юоджбалисом (Ignas Juodžbalis) из Института космологии Кавли опубликовала результаты прямого динамического измерения массы сверхмассивной черной дыры в маленькой красной точке Abell 2744−QSO1. Исследователи работали с данными спектроскопических наблюдений прибора NIRSpec «Джеймса Уэбба» в линии Н-альфа, которые позволили оценить пространственное распределение водородных облаков и их кинематические свойства в пределах 200 парсек от центра галактики — зоны, на которую точно распространяется влияние гравитации черной дыры. 

Abell2744-QSO1 — одна из самых интересных маленьких красных точек. Это троекратно линзированный скоплением галактик Abell 2744 квазар, который нашли в 2023 году на снимках «Джеймса Уэбба». Красное смещение квазара составляет 7,045, что означает, что он существовал уже спустя 700 миллионов после Большого Взрыва, обладая при этом активно растущей и необычно массивной для галактики черной дырой. Для объяснения ее роста предлагалось использовать в том числе и модель первичной черной дыры. Однако предыдущая оценка массы черной дыры опиралась на то, что методика измерений, откалиброванная на галактиках в Местной Вселенной, может быть применима для галактик на красном смещении около 7.

Построенные по данным «Джеймса Уэбба» кривые кеплеровского вращения газа внутри галактики лучше всего описываются моделью, включающей в себя центральный массивный точечный объект в виде черной дыры, а не плотное и компактное скопление звезд или пик плотности темной материи в зоне ядра галактики. В этой случае масса черной дыры составляет 10^6,75 масс Солнца, что делает ее сверхмассивной. В этом случае исключаются все модели, объясняющие эту маленькую красную точку галактиками без активного ядра. 

Черная дыра Abell2744-QSO1 аккрециирует материю заметно ниже предельного уровня — светимость составляет примерно 0,02 от эддингтоновской. Верхняя граница звездной массы галактики-хозяина составляет 2 × 10⁷ масс Солнца, что согласуется с идеей, что среда внутри галактики в химическом плане почти не загрязнена звездным нуклеосинтезом. Таким образом, черная дыра в Abell2744-QSO1 может быть описана моделью тяжелого зародыша, который только начал свой дальнейший рост за счет аккреции газа. Этот зародыш может быть результатом прямого коллапса газовых облаков или возник из первичной черной дыры, однако в последнюю модель плохо вписывается новая оценка массы — в этом случае требуется либо очень активная аккреция, либо быстрое слияние нескольких первичных черных дыр.

Среди маленьких красных точек можно найти и большую — так назвали недавно открытого необычного представителя этих галактик.