Три сверхмассивные черные дыры в одной галактике: революционное открытие телескопа «Джеймс Уэбб»

Впервые в истории астрономии ученые обнаружили галактику в ранней Вселенной, в которой находится не одна, не две, а целых три активно питающиеся сверхмассивные черные дыры. Это открытие, сделанное с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST), подтверждает, что множество массивных черных дыр могли сосуществовать и одновременно расти в одной и той же галактике уже через 1,2 миллиарда лет после Большого взрыва . Полученные данные имеют огромное значение для понимания того, как черные дыры смогли так быстро вырасти в молодой Вселенной, а также для будущих попыток обнаружить гравитационные волны от их слияний .

Как «Джеймс Уэбб» обнаружил тройную систему черных дыр

Галактика, получившая обозначение J0148-4214 и наблюдаемая на красном смещении z≈5, была изучена с помощью спектрографа NIRSpec Integral Field Unit (IFU) на борту JWST . Исследователи идентифицировали черные дыры по характерному спектральному признаку: широким эмиссионным линиям Hα (полная ширина на половине максимума от 430 до 2920 км/с), которые не сопровождаются соответствующими запрещенными линиями в ярком дублете [O III] . Такой спектральный «отпечаток» является однозначным индикатором аккрецирующих черных дыр: вещество, падающее на них с огромной скоростью вблизи горизонта событий, создает широкое излучение, а отсутствие запрещенных линий исключает другие источники — сверхновые, ударные волны, звездные ветры или массивные звезды .

Используя карты распределения интенсивности асимметричного центрального профиля Hα, команде удалось выделить две пространственно разделенные области широких линий (BLRs) в центре галактики, находящиеся на расстоянии 190±40 парсек (около 620 световых лет) друг от друга. Третья область широких линий была обнаружена на окраине галактики, на проекционном расстоянии 1,7 килопарсека (примерно 5500 световых лет) .

Три черные дыры: массы и расположение

Используя вириальные соотношения для одномоментных наблюдений, астрономы оценили массы трех черных дыр:

• Первичная центральная черная дыра: log(M☉) = 7,9 ± 0,4, что составляет примерно 80 миллионов солнечных масс .
• Вторичная центральная черная дыра: log(M☉) = 5,8 ± 0,5, или примерно 600 000 солнечных масс .
• Внешняя черная дыра: log(M☉) = 6,3 ± 0,4, или около 2 миллионов солнечных масс .

Авторы исследования подчеркивают, что эти оценки масс содержат значительные погрешности, однако главный результат заключается в самом обнаружении трех активных массивных черных дыр, а не в точных значениях их масс .

Две черные дыры находятся близко друг к другу в центре галактики, разделенные всего 620 световыми годами (в проекции). Третья черная дыра расположена на периферии галактики, примерно в 5500 световых годах от центра .

Рост в ранней Вселенной и путь к слиянию

Галактика J0148-4214 открывает уникальное окно в понимание того, как сверхмассивные черные дыры смогли так быстро вырасти в ранней Вселенной. Эта система предполагает, что слияния и взаимодействия галактик были эффективным механизмом, сводящим массивные черные дыры вместе и обеспечивающим быстрый путь их стремительного роста . Это первое свидетельство того, что тройные системы черных дыр существовали уже в первые 1,2 миллиарда лет космической истории.

Две центральные черные дыры, разделенные всего 620 световыми годами, по-видимому, обречены на слияние в будущем. Эта тесная пара создает предпосылки для тех слияний массивных черных дыр, которые будущие обсерватории гравитационных волн, такие как Лазерная интерферометрическая космическая антенна (LISA), предназначены для обнаружения. Это открытие демонстрирует, что такие тесные пары существовали гораздо раньше, чем было известно ранее .

«Это первое свидетельство существования трех активных черных дыр в одной галактике в далекой Вселенной», — говорит Ханна Юблер, руководитель исследовательской группы в Институте внеземной физики Общества Макса Планка и ведущий автор исследования .

Значение для астрономии гравитационных волн

Две центральные черные дыры в J0148-4214 разделены всего несколькими сотнями парсек, что означает, что они гравитационно связаны и находятся на пути к столкновению. Когда они в конце концов сольются, это породит гравитационные волны, которые смогут быть обнаружены космическими обсерваториями, такими как LISA, которая специально спроектирована для наблюдения за слияниями массивных черных дыр. Открытие показывает, что такие тесные пары существовали гораздо раньше в космической истории, чем предполагалось, давая астрономам, изучающим гравитационные волны, четкую цель и подтверждая, что ранняя Вселенная была оживленным местом для слияний черных дыр .

Почему это открытие важно

• Первый случай в своем роде: Никогда ранее не было подтверждено, что в одной галактике в ранней Вселенной находятся три активно аккрецирующие сверхмассивные черные дыры.
• Быстрый рост: Система предполагает, что слияния и взаимодействия галактик были эффективны для сближения черных дыр, объясняя, как они могли так быстро расти после Большого взрыва.
• Предвестник гравитационных волн: Тесная центральная пара — это вероятное будущее слияние черных дыр, предоставляющее естественную лабораторию для изучения событий, которые будет обнаруживать LISA.
• Уникальные возможности JWST: Это обнаружение стало возможным только благодаря пространственно-разрешенной спектроскопии JWST, которая может разделять несколько активных ядер в далеких, тусклых галактиках .

Результаты опубликованы в препринте на arXiv.org под названием исследования «BlackTHUNDER: evidence for three massive black holes in a z~5 galaxy» .

Что дальше

Астрономы планируют провести дополнительные наблюдения на JWST, чтобы изучить динамику системы более детально и найти аналогичные галактики с тройными черными дырами в других областях ранней Вселенной. Это открытие открывает новую главу в понимании того, как образовались самые массивные объекты во Вселенной — и как они продолжают формировать космос через слияния.