Космический телескоп Джеймса Уэбба измеряет массу "спящего гиганта" черной дыры на расстоянии 10 миллиардов световых лет — и она в 6 миллиардов раз больше массы нашего Солнца

Используя космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), астрономы "измерили" спящего гиганта — дремлющую сверхмассивную черную дыру, расположенную на поразительном расстоянии 10 миллиардов световых лет. Это делает эту черную дыру самой удаленной сверхмассивной черной дырой, массу которой когда-либо измеряли ученые.

Сверхмассивная черная дыра находится в центре галактики MRG-M0138, которую мы видим такой, какой она была, когда Вселенной было всего около 4 миллиардов лет — и теперь мы знаем, благодаря космическому телескопу Джеймса Уэбба (JWST), что ее масса составляет невероятные 6 миллиардов масс Солнца.

Сверхмассивные черные дыры могут быть очень заметными, когда активно поглощают материю и, следовательно, окружены богатством материи в области, называемой активными галактическими ядрами (AGN). Из-за огромных гравитационных сил черной дыры AGN светится очень ярко. Однако, поскольку черные дыры окружены границей, ловящей свет, называемой горизонтом событий, дремлющие черные дыры с запасами, которые не так хорошо укомплектованы, гораздо более неуловимы. Они практически невидимы. Тем не менее, даже эти черные дыры имеют гравитационные влияния, которые могут воздействовать не только на вращающиеся облака газа и пыли — это влияние также может затрагивать движение звезд, обращающихся вокруг черных дыр. И эти звезды действительно видимы.

Чтобы обнаружить и измерить массу этой сверхмассивной черной дыры, команда, стоящая за этим исследованием, использовала JWST для отслеживания движения звезд в центре MRG-M0138. Этот трюк отслеживания звезд использовался в прошлом для измерения дремлющих черных дыр, гораздо ближе к Земле — например, сверхмассивной черной дыры массой 4,3 миллиона солнечных масс в центре нашей собственной галактики, Стрельца A* (Sgr A*). Однако Sgr A* и его сопутствующие звезды находятся всего в 26 000 световых лет, а самая удаленная черная дыра, для которой использовалась эта техника, называемая звездной динамикой, находилась всего в 700 миллионах световых лет. На расстоянии примерно в 15 раз больше этого предыдущего рекорда, это новое исследование стало первым случаем, когда эта техника успешно использовалась для измерения массы такого удаленного спящего гиганта.

"Определение того, как звезды коллективно движутся в ядре этой удаленной галактики, позволило нам измерить массу ее иначе недоступной сверхмассивной черной дыры," — сказал руководитель команды и ученый Университетского колледжа Лондона Ричард Эллис в заявлении. "Демонстрируя осуществимость такой техники для галактик ранней Вселенной, мы теперь можем провести более полный учет того, как черные дыры развиваются со временем и сделать выводы о их роли в формировании эволюции галактик."

Однако определение движения звезд в центре MRG-M0138 было далеко не простым. Это потребовало естественного космического явления, известного как гравитационное линзирование, которое возникло из магнум опуса Альберта Эйнштейна, известного как общая теория относительности.

Что такое гравитационное линзирование?

Общая теория относительности предсказывает, что объекты с массой создают реальную кривизну в структуре пространства-времени, четырехмерной унификации трех измерений пространства и одного измерения времени. Гравитация возникает из этой кривизны, и поскольку чем больше масса, тем больше кривизна, чем больше масса объекта, тем сильнее его гравитация.

Гравитационное линзирование происходит, когда массивный объект, такой как галактика или скопление галактик, находится между более удаленным фоновым объектом и Землей. Когда свет от фонов источника проходит через кривизну пространства, вызванную массивным передним объектом или гравитационной линзой, его обычно прямая траектория становится изогнутой.

Чем ближе свет проходит к гравитационной линзе, тем больше его путь отклоняется, и это означает, что свет от одного и того же объекта достигает наших телескопов в разное время. Это может увеличить объект и, в крайних случаях, сделать один и тот же объект видимым несколько раз в разных положениях на одном изображении.

Эффект гравитационного линзирования галактики между MRG-M0138 и Землей перенаправил свет из этой удаленной галактики, увеличив его в 30 раз, что позволило Эллису и коллегам детально восстановить внутренние детали MRG-M0138.

"Сочетая данные JWST с гравитационным линзированием, мы смогли заглянуть внутрь сферы влияния черной дыры, где ее гравитация увеличивает скорости звезд," — сказал Эндрю Ньюман из Карнеги Сайенс в Пасадене, Калифорния. "Это одна из лучших техник, которые у нас есть для измерения черной дыры, поэтому мы были рады расширить ее на гораздо более ранний период в космической истории."

В дополнение к исследованию этой дремлющей черной дыры команда также установила, что MRG-M0138 сама по себе дремлющая, что означает, что она больше не формирует новые звезды. Это, вероятно, результат того, что сверхмассивная черная дыра переживала ненасытную фазу поглощения ранее в своей истории, когда она могла выглядеть как яркий квазар в центре AGN. Энергия, высвобожденная в этой фазе, могла вытолкнуть газ и пыль как от черной дыры, завершив ее фазу поглощения, так и от самой MRG-M0138. Это истощило бы галактику от сырья для формирования звезд, тем самым подавляя ее темп звездообразования.

Это означает, что с этими наблюдениями и с большим количеством данных о дремлющих сверхмассивных черных дырах JWST ученые могут лучше понять взаимосвязь между ростом галактик и ростом сверхмассивных черных дыр, а также роль, которую эти космические титаны играют в прекращении звездообразования в своих родительских галактиках.

Исследование команды было опубликовано в четверг (4 июня) в журнале Science.