Прямое измерение массы сверхмассивной черной дыры в Little Red Dot через 700 миллионов лет после Большого взрыва

Недавние исследования с использованием космического телескопа Джеймса Уэбба привели к открытию так называемых Little Red Dots (LRD) — небольших, тусклых и красных активных галактических ядер, обнаруженных на больших красных смещениях, что позволяет изучать ранние этапы космической истории. Команда астрофизиков произвела прямое и динамическое измерение массы черной дыры в одном из таких LRD, находящейся на красном смещении 7,04, что соответствует времени всего через 700 миллионов лет после Большого взрыва. Масса этой черной дыры составляет 50 миллионов солнечных масс, окруженная лишь примерно 20 миллионами солнечных масс звезд, в то время как остальная часть — это первичный газ. Эти данные могут пролить свет на происхождение сверхмассивных черных дыр. Исследование опубликовано в журнале Nature.

Abell 2744−QSO1 представляет собой уникальный LRD, поскольку он виден трижды из-за сильной гравитационной линзы, созданной скоплением галактик Abell 2744, расположенным на переднем плане. Исследователи, включая Игнаса Юоджбалиса из Кембриджского университета и его международную команду, объединили данные о гравитационной линзе и глубокие спектроскопические данные от Уэбба, чтобы выявить кривую вращения, которая не соответствует ядерному звездному скоплению, но объясняется вращением Кеплера вокруг точки массы в 50 миллионов солнечных масс. Такой тип вращения предполагает, что в галактике-хозяине практически отсутствует звездная компонента, так как соотношение массы черной дыры к массе звезд превышает 2. Это значительно отличается от обычных галактик, так как черная дыра здесь почти «голая», находясь в почти примитивной среде.

На основе вириальных соотношений, использующих ширины линий и светимости, три предыдущие работы оценили массу черной дыры в 40 миллионов солнечных масс, предполагая, что вириальные соотношения, откалиброванные на местном уровне, применимы для красного смещения z = 7. Однако, проведя прямое измерение и получив 50 миллионов солнечных масс, Юоджбалис и его команда демонстрируют, что вириальные калибровки массы черной дыры применимы к этому прототипическому объекту на большом красном смещении.

Астрофизики установили, что светимость Эддингтона (LEdd) черной дыры составляет 7,6 × 10^45 эрг/с. Используя стандартные соотношения между шириной линии Hα и болометрической светимостью (L), они пришли к выводу, что черная дыра аккрецирует материю значительно ниже своей предельной светимости Эддингтона, с L / LEdd ≈ 0,02. Если же связь между шириной линии Hα и болометрической светимостью выше местных оценок, то L / LEdd может составлять 0,01 или даже меньше, что свидетельствует о том, что черная дыра может находиться в состоянии почти покоя.

Кроме того, исследователи рассчитали динамическую верхнюю границу на массу звездной составляющей галактики Abell 2744−QSO1, которая составляет 20 миллионов солнечных масс. По их данным, это делает QSO1 самой «голой» массивной черной дырой, когда-либо обнаруженной. Это также согласуется с предыдущими открытиями, указывающими на то, что черная дыра находится в химически почти чистой среде. Юоджбалис и его коллеги предполагают, что это свидетельствует о возможности первичности черных дыр, то есть о том, что они формируются и растут до того, как образуется их галактика-хозяин.

По мнению исследователей, единственные сценарии, способные объяснить подобную систему, предполагают наличие «тяжелых семян», таких как черные дыры, образующиеся в результате прямого коллапса массивных облаков первичного газа, или первичных черных дыр, возникших в первые секунды после Большого взрыва.

Тем не менее, большинство сценариев прямого коллапса массивных облаков требует наличия значительного источника ультрафиолетового излучения поблизости, что здесь не наблюдается (даже нет галактики, которая могла бы производить ультрафиолетовое излучение в прошлом). Кроме того, модели черных дыр, образующихся в результате прямого коллапса, предполагают, что их начальный рост ограничен барионной долей в остывающем гало, что накладывает верхнюю границу на соотношение массы черной дыры к динамической массе примерно 0,1, что более чем на порядок ниже нижней границы, полученной Юоджбалисом и его коллегами.

Исследователи отмечают, что очень низкая металличность этой системы является независимым аргументом в пользу сценария первичных черных дыр. Однако наблюдаемая масса в 50 миллионов солнечных масс значительно превышает предпочтительную массу, которая составляет около 1 миллиона солнечных масс для первичных черных дыр, что соответствует эпохе аннигиляции электрон-позитрон в ранней вселенной. Таким образом, для них наблюдаемая масса требует либо значительного аккреционного процесса, либо быстрой слияния нескольких первичных черных дыр.

Вне зависимости от конкретной модели, высокая масса черной дыры Abell 2744−QSO1 в столь далекой космической эпохе, а также ее крайне высокое соотношение MTN/M⁎ и окружение из почти чистого газа указывают на то, что это действительно семя массивной черной дыры, находящееся на ранних этапах аккреции.