Космический телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил необычную систему в далёкой галактике J0148-4214: в ней находятся сразу три активно растущие чёрные дыры. Две из них расположены в центральной области галактики, а третья находится значительно дальше от центра. Наблюдаемая система существовала примерно через 1,2 миллиарда лет после Большого взрыва, когда Вселенной было лишь около девяти процентов от её нынешнего возраста.
Это первое свидетельство существования трёх активно аккрецирующих чёрных дыр в одной галактике. Открытие имеет значение для одного из важных вопросов современной астрофизики: каким образом сверхмассивные чёрные дыры успели вырасти до огромных размеров уже в ранней Вселенной. Наблюдения показывают, что слияния галактик и чёрных дыр могли играть в этом процессе более существенную роль, чем предполагалось.
Галактика, существовавшая в далёком прошлом
J0148-4214 находится на расстоянии более 12,5 миллиарда световых лет от Земли. Это означает, что свет от неё шёл до нас более 12 миллиардов лет.
Но при изучении таких объектов расстояние не следует понимать только как расстояние до современной галактики. Мы видим J0148-4214 такой, какой она была в далёком прошлом. Свет, зарегистрированный телескопом сегодня, покинул галактику примерно 12,5 миллиарда лет назад.
Возраст Вселенной составляет около 13,8 миллиарда лет. Поэтому наблюдаемая система существовала всего примерно через 1,2 миллиарда лет после Большого взрыва.
Это особенно важно для исследования чёрных дыр. Сверхмассивные объекты, существующие в столь раннюю эпоху, должны были сформироваться и вырасти за относительно короткий по космологическим меркам промежуток времени.
Три чёрные дыры вместо одной
Большинство крупных галактик, включая Млечный Путь, связано со сверхмассивной чёрной дырой в центральной области.
В центре нашей Галактики находится Стрелец A* — объект массой примерно в четыре миллиона Солнц.
Но наличие сразу нескольких сверхмассивных чёрных дыр в одной галактике возможно, если галактики взаимодействуют и сливаются. Каждая из них может первоначально находиться в центре своей галактики, а после слияния галактик несколько чёрных дыр оказываются в общей гравитационной системе.
Именно такой процесс, по мнению исследователей, может объяснять появление тройной системы в J0148-4214.
Однако обнаруженный объект интересен не просто количеством чёрных дыр. Все три демонстрируют признаки активного поглощения вещества.
Где находятся три чёрные дыры
Две наиболее близкие чёрные дыры расположены в центральной части J0148-4214. Расстояние между ними составляет около 620 световых лет.
Массы этих двух объектов оцениваются примерно в 80 миллионов и 600 тысяч масс Солнца.
Третья чёрная дыра находится на окраине галактики, примерно в 5500 световых годах от её центра. Её масса оценивается примерно в два миллиона масс Солнца.
Таким образом, речь идёт не о трёх объектах, практически находящихся в одной точке. Система занимает область размером в тысячи световых лет.
При этом две центральные чёрные дыры находятся достаточно близко друг к другу по космическим масштабам, чтобы их дальнейшая эволюция могла привести к слиянию.
Как «Уэбб» смог обнаружить чёрные дыры
Саму чёрную дыру непосредственно увидеть невозможно: она не испускает свет, который мог бы покинуть горизонт событий.
Однако вокруг активно растущей чёрной дыры находится вещество, падающее в её гравитационное поле. Газ образует чрезвычайно горячую область и может излучать большое количество энергии.
Именно это излучение позволяет обнаруживать активные галактические ядра.
В случае J0148-4214 «Уэбб» обнаружил признаки трёх отдельных областей, в которых газ движется с очень высокой скоростью.
Для этого использовался спектрограф NIRSpec, работающий в режиме интегрального поля. Такой режим позволяет одновременно получать спектральную информацию и определять её пространственное распределение по наблюдаемой области.
Главная подсказка — водород
Одним из ключевых признаков стала линия Hα — спектральная линия водорода.
Вблизи активно питающейся чёрной дыры газ движется очень быстро под действием её гравитации. Из-за движения газа спектральные линии расширяются.
Астрономы называют соответствующую область широких линий broad-line region, или областью широких линий.
В J0148-4214 исследователи обнаружили три такие области.
Две находятся рядом с центром галактики, а третья расположена на её окраине.
Само по себе наличие широкой линии Hα ещё не является абсолютным доказательством существования чёрной дыры. Быстро движущийся газ может возникать и в других астрофизических процессах — например, при взрывах сверхновых, ударных волнах или мощных звёздных ветрах.
Поэтому понадобился дополнительный признак.
Почему исследователи уверены, что это именно чёрные дыры
В спектре галактики одновременно наблюдались широкие линии Hα и узкие линии ионизированного кислорода [O III].
Такое сочетание является характерным признаком активного галактического ядра.
Исследователи рассмотрели альтернативные объяснения наблюдаемого излучения и пришли к выводу, что наиболее вероятным источником трёх областей широких линий являются активно аккрецирующие чёрные дыры.
Это важная деталь, поскольку речь идёт не о простой фотографии трёх тёмных объектов. Чёрные дыры были выявлены по воздействию их гравитации на окружающий газ и по характерному излучению вещества, которое они поглощают.
Что означает «активная» чёрная дыра
Сверхмассивная чёрная дыра может существовать относительно спокойно, если рядом с ней недостаточно вещества для активного поглощения.
Но если в центральную область галактики поступает большое количество газа, часть этого вещества начинает падать к чёрной дыре.
Перед тем как пересечь горизонт событий, газ формирует горячую аккреционную структуру и интенсивно излучает.
Так появляется активное галактическое ядро — один из наиболее ярких типов объектов во Вселенной.
Поэтому астрономы в действительности наблюдают не саму чёрную дыру, а свет от окружающего её вещества.
В случае J0148-4214 этот процесс происходит одновременно вокруг трёх объектов.
Необычная система возникла очень рано
Главная особенность открытия связана с возрастом системы.
Галактика существовала примерно через 1,2 миллиарда лет после Большого взрыва. Это очень ранняя эпоха, когда галактики ещё активно собирали массу и часто взаимодействовали друг с другом.
Современные крупные галактики сформировались в результате длительной иерархической эволюции. Небольшие галактики объединялись, поглощали окружающее вещество и постепенно становились крупнее.
Если в центрах объединяющихся галактик находились чёрные дыры, то после слияния галактик эти чёрные дыры также оказывались в одной системе.
Наблюдение J0148-4214 показывает, что такой процесс происходил уже на раннем этапе истории Вселенной.
Слияние галактик могло ускорять рост чёрных дыр
У сверхмассивных чёрных дыр есть два основных способа увеличивать массу.
Первый — аккреция, то есть поглощение окружающего вещества.
Второй — слияние с другими чёрными дырами.
В течение большей части космической истории аккреция считается главным механизмом роста сверхмассивных чёрных дыр. Однако во время некоторых этапов развития галактик слияния могут иметь особенно большое значение.
Наблюдаемая система предоставляет прямое свидетельство того, что оба процесса могли происходить одновременно: все три чёрные дыры активно поглощают вещество, а две из них находятся в процессе сближения внутри одной галактики.
Почему две центральные чёрные дыры должны сблизиться
После слияния галактик их центральные чёрные дыры не обязательно сразу оказываются рядом.
Они могут находиться на расстояниях в тысячи световых лет и постепенно терять орбитальную энергию.
При взаимодействии с окружающими звёздами и газом движение чёрной дыры относительно центра галактики может замедляться. В результате она постепенно приближается к центральной области.
Этот процесс называется динамическим трением.
В J0148-4214 две центральные чёрные дыры уже находятся на расстоянии около 620 световых лет. Исследователи оценивают, что их слияние может произойти примерно через 700 миллионов лет, хотя это оценка по простой модели и не является точным прогнозом даты события.
Что произойдёт с третьей чёрной дырой
Третий объект находится значительно дальше — примерно в 5500 световых годах от центра.
Согласно одному из рассматриваемых сценариев, эта чёрная дыра также постепенно движется к центральной области и в будущем может принять участие в следующем слиянии.
Если такой сценарий верен, система может пройти через два последовательных слияния.
Сначала две наиболее близкие чёрные дыры объединятся. Затем третья чёрная дыра может взаимодействовать с образо