«Джеймс Уэбб» нашел черную дыру, образовавшуюся раньше своей галактики

Что появляется первым – галактика или черная дыра? Точно неизвестно, но логично предположить, что сначала должна быть галактика, затем звезды в ней израсходуют свое топливо, схлопываются и превращаются в черные дыры, которые сливаются, образуя более массивные объекты. Однако тогда трудно объяснить черные дыры с миллионами-миллиардами солнечных масс в ранней Вселенной (а их были открыты тысячи) – как они так быстро выросли?

"Это замечательное открытие! Это смена парадигмы, полный пересмотр классических представлений о том, как рождаются и растут черные дыры", - говорит космолог Роберто Майолино из Кембриджского университета, соавтор обеих статей.

В изучении QSO1 исследователям помогла гравитационная линза, роль которой сыграло скопление галактик Abell 2744 (скопление Пандора). Благодаря этому объект виден крупнее и сразу в трех местах.

По результатам первых наблюдений авторы идентифицировали QSO1 как облако светящегося водорода и гелия вокруг сверхмассивной черной дыры с массой около 40 миллионов солнечных. Хотя сомнения остались – неужели он такой огромный?

"Раньше все оценки масс черных дыр в ранней Вселенной были косвенными — мы исходили из предположений, основанных на знаниях о дырах в современной Вселенной. Мы не знали, сработают ли эти предположения для глубокого космоса", — признается соавтор Франческо Д'Эудженио, также из Кембриджа.

Рано – и сразу огромное

Если черная дыра в QSO1 действительно настолько массивна, как кажется, то с помощью интегрированного полевого спектрографа (IFU) NIRSpec на Уэббе можно отследить, как ее гравитация влияет на окружающий газ, решили ученые. Используя данные IFU, они нанесли на карту движение водорода вокруг черной дыры. Оказалось, что газ движется по кеплеровским орбитам — как планеты вокруг Солнца.

"Это важно, потому что это говорит нам о том, что почти вся масса QSO1 сосредоточена в черной дыре в центре. Если бы масса была распределена более равномерно (как это было бы в случае со многими звездами), газ не имел бы такого идеального кеплеровского вращения", - объясняет еще один соавтор, космолог Игнас Юодзбалис из Кембриджа.

Поскольку кеплеровское движение подчиняется простым законам гравитации, результаты измерений скорости газа использовались для расчета массы черной дыры, что ранее было невозможно.

Дыра оказалась не просто огромной (около 50 миллионов солнечных масс) — она составляет как минимум две трети всей массы QSO1. Эта доля в тысячи раз выше, чем в соседних галактиках, где сверхмассивные черные дыры занимают лишь ничтожную долю общей массы родительской галактики.

Косвенным подтверждением стал анализ состава газа — QSO1 состоит в основном из водорода и гелия с минимумом тяжелых элементов вроде кислорода, которые можно было бы ожидать найти в галактике, богатой звездами и звездными остатками. Имея металличность менее 0,5% от солнечной, QSO1 является одной из самых нетронутых галактических сред, когда-либо измеренных.

Ранняя Вселенная, вероятно, полна таких же

«Отличный результат», — доволен Майолино. «Первое прямое измерение массы черной дыры за первый миллиард лет после Большого взрыва, и оно согласуется с предыдущими косвенными оценками».

Это означает, что предположения, сделанные при косвенных измерениях, верны, и массы других черных дыр в ранней Вселенной не были завышены.

Непропорционально большая по сравнению с галактикой масса черной дыры также говорит о ее происхождении.

"Похоже, мы нашли черную дыру, не имеющую полноценной родительской галактики и возникшую до звездных процессов. Это очень важно, поскольку мы получили доказательства существования первичных черных дыр или дыр прямого коллапса - они были предсказаны теоретически, но пока не подтверждены", - подчеркивает Юодзбалис.

По мнению исследователей, дыра в QSO1 почти наверняка уже была огромной и сейчас может находиться на ранних стадиях формирования галактики вокруг нее. Сейчас они анализируют подобные объекты, чтобы выяснить, действительно ли сверхмассивные черные дыры появились раньше галактик, в которых они сейчас находятся.