Группа астрономов обнаружила наиболее удалённую из подтверждённых чёрных дыр. Она и галактика, в которой она находится — CAPERS-LRD-z9, существуют спустя 500 миллионов лет после Большого взрыва. Это значит, что они возникли 13,3 миллиарда лет назад, когда нашей Вселенной было всего 3% от нынешнего возраста. Это даёт уникальную возможность изучить структуру и эволюцию этого загадочного периода.
«При поиске чёрных дыр это практически максимально далеко. Мы действительно расширяем границы того, что может обнаружить современная технология», — говорит Энтони Тейлор, постдокторант Центра космических рубежей при Техасском университете в Остине и руководитель группы, совершившей открытие.
Их исследование опубликовано в «Астрофизическом журнале».
«Хотя астрономы нашли несколько более удалённых кандидатов», — добавляет Стивен Финкельштейн, соавтор статьи и директор Центра космических рубежей, — «им ещё предстоит обнаружить отчётливую спектроскопическую сигнатуру, связанную с чёрной дырой».
С помощью спектроскопии астрономы разделяют свет на множество длин волн, чтобы изучить характеристики объекта. Для идентификации чёрных дыр они ищут признаки быстро движущегося газа. Когда он вращается и падает в чёрную дыру, свет от газа, движущегося от нас, растягивается до гораздо более красных длин волн, а свет от газа, движущегося к нам, сжимается до гораздо более синих длин волн.
«Не так много других вещей создают такую сигнатуру», — объясняет Тейлор. «И в этой галактике она есть!»
Команда использовала данные, полученные в рамках программы CAPERS (CANDELS-Area Prism Epoch of Reionization Survey) космического телескопа Джеймса Уэбба. Запущенный в 2021 году, JWST предоставляет самые далёкие виды в космос, а CAPERS обеспечивает наблюдения за самым дальним краем.
«Первая цель CAPERS — подтвердить и изучить наиболее удалённые галактики», — говорит Марк Дикинсон, соавтор статьи и руководитель группы CAPERS. «Спектроскопия JWST — ключ к подтверждению их расстояний и пониманию их физических свойств».
Первоначально замеченная как интересное пятнышко на изображениях программы, CAPERS-LRD-z9 оказалась частью нового класса галактик, известных как «Маленькие красные точки». Присутствующие только в первые 1,5 миллиарда лет Вселенной, эти галактики очень компактны, красны и неожиданно ярки.
«Открытие „Маленьких красных точек“ стало главной неожиданностью на основе ранних данных JWST, поскольку они не похожи на галактики, видимые с помощью космического телескопа Хаббла», — объясняет Финкельштейн. «Сейчас мы в процессе выяснения того, что они из себя представляют и как они появились».
CAPERS-LRD-z9 может помочь астрономам сделать это.
Во-первых, эта галактика добавляет к растущему числу доказательств того, что сверхмассивные чёрные дыры являются источником неожиданной яркости «Маленьких красных точек». Обычно такая яркость указывает на обилие звёзд в галактике. Однако «Маленькие красные точки» существуют в то время, когда такая большая масса звёзд маловероятна.
С другой стороны, чёрные дыры также ярко светят. Это происходит потому, что они сжимают и нагревают материалы, которые поглощают, создавая огромный свет и энергию. Подтвердив существование одной из них в CAPERS-LRD-z9, астрономы нашли поразительный пример этой связи в «Маленьких красных точках».
Новооткрытая галактика также примечательна тем, насколько колоссальна её чёрная дыра. По оценкам, её масса в 300 миллионов раз больше массы нашего Солнца, что составляет до половины массы всех звёзд в её галактике. Даже среди сверхмассивных чёрных дыр это особенно большой размер.
Обнаружение такой массивной чёрной дыры на столь раннем этапе даёт астрономам ценную возможность изучить, как развивались эти объекты. Чёрная дыра, присутствующая в более поздней Вселенной, имела бы разнообразные возможности для увеличения своей массы в течение жизни. Но чёрная дыра, присутствующая в первые несколько сотен миллионов лет, такой возможности не имела бы.
«Это добавляет к растущим доказательствам того, что ранние чёрные дыры росли гораздо быстрее, чем мы считали возможным», — говорит Финкельштейн. «Или они изначально были гораздо массивнее, чем предсказывают наши модели».
Чтобы продолжить свои исследования CAPERS-LRD-z9, команда надеется собрать больше наблюдений с более высоким разрешением с помощью JWST. Это может дать более глубокое понимание этой галактики и роли, которую чёрные дыры играли в развитии «Маленьких красных точек».
«Это хороший тестовый объект для нас», — говорит Тейлор. «У нас не было возможности изучать раннюю эволюцию чёрных дыр до недавнего времени, и мы рады увидеть, что мы можем узнать об этом уникальном объекте».
Дополнительные данные для исследования были получены с помощью спектроскопического инструмента тёмной энергии (DESI) в Национальной обсерватории Китт-Пик, программы NSF NOIRLab.