Юная черная дыра из ранней Вселенной спряталась в газовом коконе

Астрономы обнаружили в ранней Вселенной юную и массивную черную дыру, окруженную крайне плотной и турбулентной газовой оболочкой. Предполагается, что это может быть всплеск сверхэддингтоновской аккреции газа, который играет одну из главных ролей при очень быстром формировании сверхмассивных черных дыр. Статья опубликована в журнале Nature.

Одной из нерешенных проблем современной астрофизики остается природа черных дыр с массами до нескольких миллиардов масс Солнца, которые наблюдаются в галактиках и квазарах спустя уже несколько сотен миллионов лет после Большого Взрыва. Теории, объясняющие столь необычно активный рост черных дыр, используют эпизоды сверхэддингтоновской аккреции, массивные черные дыры прямого коллапса и даже экзотические первичные черные дыры в качестве моделей зародышей, с которых начинается формирование сверхмассивной черной дыры.

Группа астрономов во главе с Роханом Найду (Rohan P. Naidu) из Института астрофизики и космических исследований имени Кавли опубликовала результаты спектроскопических исследований системы MoM-BH*-1 из ранней Вселенной, проведенных прибором NIRSpec «Джеймса Уэбба» в 2024 году в рамках программы Mirage or Miracle. Первоначально галактику обнаружили на глубоких снимках телескопа в 2023 году, она выглядела как любопытный кандидат в маленькую красную точку или активное галактическое ядро.

Спектроскопическое красное смещение MoM-BH*-1 составляет 7,7569, что соответствует возрасту Вселенной в 660 миллионов лет на момент существования галактики. В спектре галактики наблюдается один из самых больших когда-либо зарегистрированных Бальмеровских скачков — поток излучения падает более чем в 20 раз. Подобное явление нельзя объяснить моделями звездных популяций, однако наличие в спектрах интенсивных линий поглощения Hβ и Hγ говорит о том, что мы имеем дело с экстремально большой плотностью облаков водорода (более 10⁹ частиц в кубическом сантиметре). Очень широкая линия излучения водорода Hβ, компактность источника излучения (размером менее 3,6 тысячи световых лет), потенциальная переменность и узкие линии излучения кислорода, в свою очередь, указывают на наличие активной сверхмассивной черной дыры.  

Итоговая модель строения MoM-BH*-1 выглядит следующим образом. В ее центре находится растущая и юная черная дыра с массой 10⁶⁻⁷ масс Солнца. Вокруг черной дыры располагается чрезвычайно плотная и очень турбулентная (скорость движения газа около 500 километров в секунду) газовая оболочка, простирающаяся примерно на 10–100 астрономических единиц. Пыли в этой оболочке очень мало, а на излучательные свойства газа сильно влияет комптоновское рассеяние. Излучение черной дыры доминирует в излучении родительской галактики, которая, скорее всего, представляет относительно тусклую, малометалличную карликовую галактику, со звездной массой менее 10^8,5 масс Солнца. Эта галактика, по-видимому, связана и с более массивной (около 10^9,5 масс Солнца) галактикой на проекционном расстоянии всего около 195 тысяч световых лет. 

Это открытие говорит в пользу теорий о том, что если черная дыра находится в плотном газе, то высокая непрозрачность оболочки может удерживать излучение, порождаемое при активной аккреции ею газа, создавая благоприятные условия для сверхэддингтоновской аккреции. MoM-BH*-1 может сейчас находиться в подобном режиме или быть на его заключительной стадии, когда газовая оболочка еще существует. Еще один важный вывод заключается в том, что если через примерно сто миллионов лет две галактики сольются, то ноовобразованная система по своим спектральным свойствам будет напоминать маленькие красные точки, чья природа до сих пор не до конца ясна. Кроме того, близость крупной галактики к галактике с источником ионизирующего излучения в некоторых моделях описывается как хорошее условие для подавления образования молекулярного водорода, которое способствует процессу рождения черных дыр из-за прямого коллапса облаков первичного газа.

Ранее «Джеймс Уэбб» напрямую взвесил черную дыру в троекратно линзированном квазаре — оказалось, что перед нами одна из ранних стадий роста подобных черных дыр.