Как «Джеймс Уэбб» взвесил спящего монстра: черную дыру в 6 миллиардов солнечных масс из далекого прошлого

Решение нашел эффект гравитационного линзирования. Между Землей и MRG-M0138, почти идеально на одной линии, находится массивное скопление галактик. Его чудовищная гравитация искривляет само пространство-время, изгибая свет далекой галактики по пути к нам и действуя как природный космический телескоп. Такое расположение увеличивает изображение MRG-M0138 примерно в 30 раз, превращая неразличимую точку в структуру, ядро которой можно изучать .

Звездная динамика: взвешивая невидимое

Получив линзированное и увеличенное изображение, команда обратилась к спектрографу ближнего инфракрасного диапазона NIRSpec на телескопе «Джеймс Уэбб». Этот прибор работает как интегральный полевой спектрограф, то есть фиксирует спектр для каждого пикселя изображения. Это позволило ученым составить карту скоростей звезд на разных расстояниях от центра галактики. Метод известен как звездная динамика — тот самый, с помощью которого измерили массу центральной черной дыры в Млечном Пути (это достижение было удостоено Нобелевской премии по физике в 2020 году) .

Звезды, расположенные ближе к сверхмассивной черной дыре, вращаются быстрее. Моделируя изменение скоростей звезд в зависимости от радиуса с помощью простых законов Кеплера, команда смогла определить «сферу влияния» черной дыры — область, где ее гравитация доминирует над движением звезд. Это позволило произвести прямое измерение массы. До этого исследования самым далеким прямым измерением методом звездной динамики была черная дыра на расстоянии около 700 миллионов световых лет от нас. MRG-M0138 побила этот рекорд более чем в десять раз .

Находка: гигант, «выключивший» свою галактику

Измерения подтвердили наличие черной дыры с массой примерно в 6 миллиардов солнечных . Ее родительская галактика MRG-M0138 представляет собой массивную красную эллиптическую галактику, которая давно перестала формировать новые звезды. Центральная черная дыра пребывает в спящем состоянии, то есть в настоящее время она не затягивает и не разогревает большие объемы газа .

Находка указывает на бурное прошлое. Скорее всего, MRG-M0138 когда-то была ярким квазаром, чья энергия вырабатывалась за счет газа, падающего по спирали на растущую черную дыру. Колоссальный выброс энергии во время этой активной фазы мог нагреть или даже выбросить тот самый газ, который необходим для звездообразования, фактически остановив звездные фабрики галактики. Таким образом, нынешнее «мертвое», спокойное состояние галактики и спячка черной дыры, вероятно, связаны: черная дыра выросла настолько большой и мощной, что подавила свою собственную родительскую систему .

Вызов моделям совместной эволюции

Это открытие бьет в самое сердце наших представлений о том, как галактики и черные дыры растут вместе. В локальной Вселенной существует тесная корреляция между массой центральной черной дыры и свойствами балджа (центральной выпуклости) ее галактики, что наводит на мысль об их синхронной эволюции. Новое измерение предоставляет прямые доказательства того, что эта связь не была установлена изначально и что черные дыры могут формироваться и достигать огромных размеров до того, как их родительские галактики закончат собирать свои звезды.

Данные указывают на то, что одни из самых плотных областей ранней Вселенной были местами чрезвычайно быстрого роста черных дыр, опережавшего развитие окружающей галактики . Измерение MRG-M0138 бросает вызов простым моделям совместной эволюции, где рост черной дыры и галактики всегда тесно связаны. Будущие обзоры с помощью «Джеймса Уэбба», телескопов «Евклид», Nancy Grace Roman и наземных обсерваторий нового поколения, таких как Гигантский Магелланов телескоп, нацелены на применение этой техники «линзирование плюс звездная динамика» ко многим другим галактикам, чтобы построить статистическую картину совместной эволюции черных дыр и галактик на протяжении космического времени .