Уэбб обнаружил самую далекую активную сверхмассивную черную дыру

В дополнение к черной дыре в CEERS 1019 исследователи обнаружили еще две, которые существовали через 1 миллиард и 1,1 миллиарда лет после Большого взрыва. JWST также определил 11 галактик, которые существовали, когда Вселенной было от 470 до 675 миллионов лет.

Доказательства были предоставлены JWST в рамках исследования космической эволюции на ранней стадии (CEERS), проведенного Стивеном Финкельштейном, профессором астрономии Техасского университета в Остине. Программа объединяет высокодетализированные изображения JWST в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне и спектры, которые использовались для этих открытий.

«Наблюдение за этим далеким объектом в этот телескоп очень похоже на просмотр данных о черных дырах, которые существуют в галактиках, похожих на нашу», — сказала Ребекка Ларсон, недавний доктор философии Техасского университета в Остине, которая руководила исследованием. «Есть так много спектральных линий для анализа».

Команда опубликовала эти результаты в нескольких первоначальных статьях в специальном выпуске The Astrophysical Journal Letters.

CEERS 1019 примечательна не только тем, как давно она существовала, но и тем, насколько относительно мало весит ее черная дыра. Ее масса составляет около 9 миллионов солнечных масс, что намного меньше, чем у других черных дыр, которые также существовали в ранней Вселенной и были обнаружены другими телескопами. Масса этих гигантов обычно превышает массу Солнца более чем в 1 миллиард раз, и их легче обнаружить, потому что они намного ярче. Черная дыра в CEERS 1019 больше похожа на черную дыру в центре нашей галактики, масса которой в 4,6 миллиона раз превышает массу Солнца.

Несмотря на небольшие размеры, эта черная дыра существовала настолько раньше, что до сих пор трудно объяснить, как она образовалась так скоро после возникновения Вселенной. Исследователи давно знали, что более мелкие черные дыры должны были существовать во Вселенной раньше, но только когда JWST начал наблюдения, они смогли сделать окончательные обнаружения.

Мало того, что команда смогла распутать, какие излучения в спектре исходят от черной дыры, а какие — от ее галактики, они также точно определили, сколько газа поглощает черная дыра и скорость звездообразования в ее галактике.

Команда обнаружила, что эта галактика поглощает столько газа, сколько может, а также производит новые звезды. Визуально CEERS 1019 выглядит как три ярких сгустка, а не как единый круглый диск.

«Мы не привыкли видеть столько структуры на изображениях на таких расстояниях», — сказал член команды CEERS Джейхан Карталтепе, доцент астрономии Рочестерского технологического института в Нью-Йорке. «Слияние галактик может быть частично ответственно за подпитку активности в черной дыре этой галактики, и это также может привести к усилению звездообразования».

Это только первые новаторские результаты исследования CEERS. «До сих пор исследования объектов в ранней Вселенной были в основном теоретическими», — сказал Финкельштейн. «С Уэббом мы можем не только видеть черные дыры и галактики на экстремальных расстояниях, но и можем начать их точное измерение. Это огромная мощность этого телескопа».

В будущем данные JWST также могут быть использованы для объяснения того, как формировались ранние черные дыры, и пересмотрят модели исследователей того, как черные дыры росли и развивались в первые несколько сотен миллионов лет истории Вселенной.

Обзор CEERS обширен, и в нем есть еще много чего для изучения. Команда быстро обнаружила в данных еще одну пару маленьких черных дыр.

Первую, в пределах галактики CEERS 2782, было легче всего выделить. Никакая пыль не мешает обзору JWST, поэтому исследователи смогли сразу определить, когда черная дыра появилась в истории Вселенной — всего через 1,1 миллиарда лет после Большого взрыва.

Вторая черная дыра в галактике CEERS 746 существовала несколько раньше, через 1 миллиард лет после Большого взрыва. Его яркий аккреционный диск, кольцо из газа и пыли, окружающее сверхмассивную черную дыру, все еще частично покрыт пылью.

«Центральная черная дыра видна, но присутствие пыли предполагает, что она может находиться внутри галактики, которая также яростно выбрасывает звезды», — пояснил Коцевски.

Как и в CEERS 1019, две другие черные дыры (в галактиках CEERS 2782 и CEERS 746) также «легкие» — по крайней мере, по сравнению с ранее известными сверхмассивными черными дырами на таких расстояниях. Их масса примерно в 10 миллионов раз превышает массу Солнца.

«Исследователи давно знали, что в ранней Вселенной должны быть черные дыры меньшей массы. Уэбб — первая обсерватория, которая может зафиксировать их так четко», — сказал Коцевски. «Черные дыры с небольшой массой могут быть повсюду, ожидая своего открытия».

Чувствительные спектры JWST также позволили исследователям измерить точные расстояния и возраст галактик в ранней Вселенной. Члены команды идентифицировали 11 галактик, которые существовали через 470–675 миллионов лет после Большого взрыва. Мало того, что они очень далеки, примечателен тот факт, что было обнаружено так много ярких галактик.

«Мы поражены количеством очень подробных спектров удаленных галактик, которые вернул Уэбб», — рассказывают ученые. «Эти данные абсолютно невероятны».

«Уэбб был первым, кто обнаружил некоторые из этих галактик», объясняют ученые. «Этот набор, наряду с другими далекими галактиками, которые мы можем идентифицировать в будущем, может изменить наше понимание звездообразования и эволюции галактик на протяжении всей космической истории».