Уже в ранней Вселенной имелись сверхмассивные черные дыры, сумевшие за несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва вырасти до огромных размеров. Сейчас астрономы выявили две подобные черные дыры, которые находятся крайне близко одна к другой. Они существовали, когда возраст Вселенной составлял всего 900 млн лет, а их масса была равна сотням миллионов и миллиардам масс Солнца. Почему это открытие заставляет сомневаться в нынешних представлениях о росте черных дыр, рассказывается в материале «Известий».

Пара гигантов на заре Вселенной

Международная группа астрономов нашла систему J1602+4228AB, которой дали гавайское название Nāpōwawāʻenakaulua. Она оказалась самой древней и компактной из известных на сегодня пар квазаров. Кроме того, это лишь третья выявленная пара таких объектов, существовавшая в эпоху космического рассвета — в первые 1 млрд лет после Большого взрыва.

Итоги исследования под руководством Сильвии Онорато из Национальной исследовательской лаборатории оптической и инфракрасной астрономии США (NSF NOIRLab) опубликованы в журнале The Astrophysical Journal Letters (AJL). Специалисты опирались на данные космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) и наземного телескопа «Джемини Север».

Справка «Известий»

Квазаром называют необычайно яркое активное ядро галактики. В его центре расположена сверхмассивная черная дыра, поглощающая окружающий газ и другие вещества. Материя при этом нагревается и высвобождает колоссальное количество энергии, поэтому квазар способен светить ярче всех звезд своей галактики.

Найденная пара удалена друг от друга примерно на 18,1 тыс. световых лет — это около пятой части диаметра Млечного Пути. Масса одной черной дыры оценивается примерно в 1,5 млрд солнечных масс, второй — около 400 млн.

Почему масса черных дыр удивила астрономов

Основная загадка открытия касается возраста системы. Свет от нее добирался до Земли так долго, что ученые видят пару такой, какой она была приблизительно через 900 млн лет после Большого взрыва. Тогда первые звезды и галактики лишь начинали формироваться, а черные дыры еще пребывали на ранних стадиях эволюции.

Тем не менее обе найденные черные дыры уже набрали массу, сравнимую с массой современных сверхмассивных объектов. Как отмечает руководитель исследования Сильвия Онорато, окончательного теоретического объяснения тому, как даже одна подобная гигантская черная дыра смогла появиться так рано, пока нет, а о двух и говорить не приходится.

Сильвия Онорато

Мы наблюдали Nāpōwawāʻenakaulua в эпоху, когда Вселенной была всего 13-ая часть ее нынешнего возраста. И, что удивительно, ее сверхмассивные черные дыры уже были такими же массивными, как те, которые мы наблюдаем сегодня.

По предположению астрономов, черные дыры увеличиваются за счет поглощения газа и звезд, а также могут наращивать массу при слиянии с другими черными дырами. Однако чтобы достичь найденных размеров за такой короткий срок, им требовалось бы накапливать вещество с чрезвычайной скоростью. Каким именно образом это происходило у новой пары, пока неизвестно.

Как удалось обнаружить два квазара

Пару выявили при разборе данных программы Aether, изучающей с помощью телескопа JWST объекты ранней Вселенной. В ходе обзора исследователи собрали сведения о 200 квазарах — примерно 43% всех известных объектов этого типа, существовавших в тот период. При изучении снимков ученые обратили внимание, что рядом с уже известным квазаром J1602+4228A есть еще один источник излучения. Чтобы убедиться, что это два отдельных объекта, команда провела дополнительные наблюдения с помощью телескопа «Джемини Север» на Гавайях.

Разделить источники было непросто: второй квазар намного тусклее первого и находится очень близко к нему. Наблюдать их с Земли по отдельности было крайне трудной задачей. Однако исследователям помогли исключительно благоприятные погодные условия на вершине вулкана Мауна-Кеа. Дополнительные наблюдения со спектрографом GMOS дали возможность точнее определить характеристики обоих квазаров.

Сильвия Онорато

Небо над Мауна-Кеа было настолько чистым и прозрачным, что нам удалось собрать данные всего за две ночи.

Что пара может рассказать о ранней Вселенной

Полная история появления Nāpōwawāʻenakaulua пока остается загадкой. Но исследователи допускают, что система может указывать на область ранней Вселенной с очень высокой плотностью материи. В подобных местах взаимодействия и столкновения галактик могли одновременно помогать образованию новых звезд и быстрому росту центральных черных дыр.

По мнению авторов работы, найденная пара служит своеобразной лабораторией для изучения того, как формировались первые массивные галактики и их центральные черные дыры. Наблюдения за такими системами дают возможность проверить, насколько хорошо современные модели описывают процессы в первые миллиарды лет существования космоса.

Сильвия Онорато

Nāpōwawāʻenakaulua — действительно уникальная среда. Это лаборатория, в которой астрономы могут изучать, как самые первые массивные галактики и их центральные черные дыры формировались вместе благодаря непосредственным взаимодействиям галактик в ту раннюю эпоху.

Таким образом, открытие не только пополняет каталог древних квазаров новым объектом, но и указывает на одну из нерешенных проблем современной космологии: ученым еще предстоит понять, как сверхмассивные черные дыры смогли достичь подобных размеров на столь раннем этапе истории Вселенной.