Телескоп Джеймса Вебба вимірює масу "сплячого гіганта" чорної діри на відстані 10 мільярдів світлових років — і вона в 6 мільярдів разів більша за масу нашого Сонця

Використовуючи телескоп Джеймса Вебба (JWST), астрономи "виміряли" сплячого гіганта — сплячу надмасивну чорну діру, що знаходиться на вражаючій відстані 10 мільярдів світлових років. Це робить цю чорну діру найвіддаленішою надмасивною чорною дірою, масу якої коли-небудь вимірювали вчені.

Надмасивна чорна діра розташована в центрі галактики MRG-M0138, яку ми спостерігаємо такою, якою вона була, коли Всесвіту було лише близько 4 мільярдів років. І тепер, завдяки телескопу Джеймса Вебба (JWST), ми знаємо, що її маса становить неймовірні 6 мільярдів мас Сонця.

Надмасивні чорні діри можуть бути дуже помітними, коли активно поглинають матерію і тому оточені багатством матерії в регіоні, який називається активними галактичними ядрами (AGN). Через величезні гравітаційні сили чорної діри AGN світиться дуже яскраво. Однак, оскільки чорні діри оточені світловловлюючою межею, відомою як горизонти подій, сплячі чорні діри з запасами, які не так добре заповнені, є набагато більш невловимими. Вони практично невидимі. Проте навіть ці чорні діри мають гравітаційний вплив, який може впливати не лише на обертові платформи газу та пилу — цей вплив також може впливати на рух зірок, що обертаються навколо чорних дір. І ці зірки дійсно видимі.

Щоб виявити та виміряти масу цієї надмасивної чорної діри, команда, що стоїть за цим дослідженням, використала JWST для відстеження руху зірок у центрі MRG-M0138. Цей трюк з відстеження зірок вже використовувався раніше для вимірювання сплячих чорних дір, набагато ближчих до Землі — наприклад, надмасивної чорної діри масою 4,3 мільйона сонячних мас у центрі нашої власної галактики, Стрільця A* (Sgr A*). Проте Sgr A* та його супутні зірки знаходяться лише за 26 000 світлових років, а найвіддаленіша чорна діра, для якої використовувалася ця техніка, відома як зоряна динаміка, розташовувалася лише за 700 мільйонів світлових років. На відстані приблизно в 15 разів більшій за цю попередню рекордну відстань, це нове дослідження є першим випадком, коли ця техніка була успішно використана для вимірювання маси такого віддаленого сплячого гіганта.

"Визначення того, як зірки колективно рухаються в ядрі цієї віддаленої галактики, дозволило нам виміряти масу її інакше невидимої надмасивної чорної діри", — сказав керівник команди та вчений Університетського коледжу Лондона Річард Елліс у заяві. "Демонструючи здійсненість такої техніки для галактик раннього Всесвіту, ми тепер можемо провести більш повний перепис того, як чорні діри розвиваються з часом і вивести їх роль у формуванні еволюції галактик."

Однак визначення руху зірок у центрі MRG-M0138 було зовсім не простим. Це вимагало природного космічного явища, відомого як гравітаційне лінзування, яке виникло з магнум опусу Альберта Ейнштейна, відомого як загальна теорія відносності.

Що таке гравітаційне лінзування?

Загальна теорія відносності передбачає, що об'єкти з масою створюють фактичну кривизну в тканині простору-часу, чотиривимірному об'єднанні трьох вимірів простору та одного виміру часу. Гравітація виникає з цієї кривизни, і оскільки чим більша маса, тим більша кривизна, то чим більша маса об'єкта, тим сильніша його гравітація.

Гравітаційне лінзування відбувається, коли масивний об'єкт, такий як галактика або скупчення галактик, знаходиться між більш віддаленим об'єктом на передньому плані та Землею. Коли світло з фонової джерела проходить кривизну простору, викликану масивним об'єктом на передньому плані або гравітаційною лінзою, його звичайно пряма траєкторія стає кривою.

Чим ближче світло проходить до гравітаційної лінзи, тим більше його траєкторія відхиляється, і це означає, що світло з одного й того ж об'єкта досягає наших телескопів у різний час. Це може збільшити об'єкт, а в екстремальних випадках може зробити один і той же об'єкт видимим кілька разів у різних позиціях на одному зображенні.

Ефект гравітаційного лінзування галактики між MRG-M0138 та Землею перенаправив світло з цієї віддаленої галактики, збільшивши його в 30 разів, що дозволило Еллісу та колегам детально реконструювати внутрішні деталі MRG-M0138.

"Поєднуючи дані JWST з гравітаційним лінзуванням, ми змогли заглянути всередину сфери впливу чорної діри, де її гравітація підвищує швидкість зірок", — сказав Ендрю Ньюман з Карнегі Науки в Пасадені, Каліфорнія. "Це один з найкращих методів, які ми маємо для вимірювання чорної діри, тому ми були раді розширити його на набагато більш ранній період у космічній історії."

Крім дослідження цієї сплячої чорної діри, команда також визначила, що MRG-M0138 сама по собі спляча, що означає, що вона більше не формує нові зірки. Це, ймовірно, є наслідком того, що надмасивна чорна діра пережила ненаситну фазу поглинання раніше в своїй історії, коли вона, ймовірно, виглядала як палаючий квазар у центрі AGN. Енергія, що вивільняється під час цієї фази, відштовхнула газ і пил як від чорної діри, закінчивши її фазу поглинання, так і від самої MRG-M0138. Це виснажило галактику від сировини для формування зірок, таким чином загасивши її темп народження зірок.

Це означає, що завдяки цим спостереженням і з більшою кількістю даних про сплячі надмасивні чорні діри JWST, вчені можуть краще зрозуміти взаємозв'язок між зростанням галактик і зростанням надмасивних чорних дір, а також роль, яку ці космічні титани відіграють у припиненні формування зірок у своїх галактиках-господарях.

Дослідження команди було опубліковане в четвер (4 червня) у журналі Science.