Міжнародна команда астрономів виявила одразу три активно «живлені» надмасивні чорні діри всередині однієї далекої галактики. Об’єкт J0148-4214 розташований більш ніж за 12,5 мільярда світлових років від Землі, тож ми бачимо його таким, яким він був лише через приблизно 1,2 мільярда років після Великого вибуху. Про відкриття повідомляє ScienceDaily з посиланням на дослідників з Інституту позаземної фізики товариства Макса Планка.
Усі три чорні діри в цій галактиці активно нарощують масу, затягуючи газ та іншу речовину через яскраві акреційні диски. Це перші свідчення існування трьох активних чорних дір у межах однієї галактики в настільки далекому, ранньому Всесвіті.
Дві чорні діри майже в центрі та одна на околиці
Галактика J0148-4214 має червоний зсув z=5,02, що відповідає її великій відстані та дуже ранньому етапу розвитку Всесвіту. Дві з трьох чорних дір розташовані поблизу центру галактики й розділені проєкційною відстанню лише близько 620 світлових років. Третя перебуває значно далі — приблизно за 5500 світлових років від центру.
На думку дослідників, така конфігурація дає важливі підказки щодо того, як масивні чорні діри зближувалися та зливалися в молодому Всесвіті. Часті зіткнення та злиття галактик у ті часи могли приводити до зближення їхніх центральних чорних дір і подальших злиттів, формуючи дедалі масивніші об’єкти в ядрах нових галактик.
Як знайшли приховані чорні діри
Команда ідентифікувала чорні діри, аналізуючи характерні особливості випромінювання водню. Поблизу чорної діри газ рухається з надзвичайно високими швидкостями під дією потужної гравітації, що залишає впізнавані «відбитки» в спектрі світла. Це дозволяє виявляти активність чорних дір навіть тоді, коли їх самих безпосередньо не видно.
У центральній частині J0148-4214 астрономи зафіксували особливо складний профіль випромінювання водню. Найкращим поясненням виявилася наявність двох близько розташованих джерел, а не однієї чорної діри. Щоб розділити їх, дослідники застосували метод спектро-астрометрії: вони відстежували дуже тонкі зміни положення спектральних ліній у різних ділянках галактики. Це дало змогу локалізувати обидві центральні чорні діри, хоча телескоп не міг розділити їх як два окремі світлові джерела. Ті ж спостереження виявили й третю активну чорну діру на периферії галактики.
Різні маси та аномально швидке зростання
Розрахунки показали, що маси трьох чорних дір становлять приблизно 80 мільйонів, 600 тисяч та 2 мільйони сонячних мас. Неочікувано виявилося, що найбільша з них не є «найненажерливішою». Найактивніше живиться саме найменша чорна діра масою близько 600 тисяч Сонць.
Оцінена швидкість акреції цієї малої чорної діри перевищує так звану межу Еддінгтона — базовий теоретичний ліміт темпів зростання чорних дір. Таке надзвичайно швидке нарощування маси може допомогти пояснити, як деякі чорні діри встигли стати гігантами за відносно короткий час після Великого вибуху.
За словами другого автора роботи Джованні Маццоларі (Giovanni Mazzolari), дані телескопа дали змогу не лише виявити три чорні діри, а й оцінити їхні маси, швидкість акреції та зоряну масу самої галактики. Загальна маса зірок у J0148-4214 становить близько 1,3 мільярда сонячних мас, і чорні діри складають помітну частку цієї величини.
Майбутнє злиття та загадкова третя діра
Дві центральні чорні діри, за оцінками, мають злитися протягом наступних кількох сотень мільйонів років. Їхнє зіткнення створить ще масивнішу чорну діру та стане прикладом процесу, який, імовірно, відіграв ключову роль у формуванні наймасивніших об’єктів у ранньому Всесвіті.
Третя чорна діра, розташована далеко від центру, становить окрему загадку. Вона може бути залишком попереднього злиття, який відкинуло на периферію внаслідок потужного гравітаційного «удару». Такий поштовх можливий, коли під час злиття чорних дір гравітаційні хвилі випромінюються нерівномірно, і новоутворена чорна діра отримує імпульс у протилежний бік. Інший варіант — що ця діра повільно мігрує до центру галактики й у майбутньому може взаємодіяти з іншими двома.
Роль телескопа Джеймса Вебба
Відкриття стало можливим завдяки можливостям космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST). Особливо важливою виявилася інтегральна польова спектроскопія, яка дозволяє вивчати, як спектральні характеристики світла змінюються в різних частинах галактики.
Використовуючи ближній інфрачервоний спектрограф NIRSpec у режимі інтегральної польової спектроскопії (NIRSpec-IFS), дослідники змогли розділити сигнали, які без просторової інформації виглядали б як випромінювання однієї чорної діри. Без таких детальних даних астрономи, ймовірно, зафіксували б лише один активний об’єкт у центрі J0148-4214.
Результати натякають, що в інших далеких галактиках також можуть ховатися кілька зростаючих чорних дір, які досі залишалися непоміченими. Виявлення подібних систем допоможе відтворити історію злиттів чорних дір і краще зрозуміти, як Всесвіт так рано «виростив» своїх наймасивніших космічних гігантів.