Космічна лупа допомагає JWST зважити велетенську сплячу чорну діру з раннього Всесвіту

Розв'язанням цієї задачі стало гравітаційне лінзування. Масивне скупчення галактик на передньому плані розташувалося майже ідеально на лінії між Землею та MRG-M0138. Його неймовірна гравітація викривляє сам простір-час, заломлюючи світло від фонової галактики, ніби велетенська природна лінза. Це збіг збільшив зображення MRG-M0138 приблизно в 30 разів, перетворивши нерозрізнювану цятку на структуру, ядро якої можна детально вивчати .

Зважування невидимого за допомогою зоряної динаміки

Отримавши збільшене завдяки лінзуванню зображення, команда задіяла інтегральний польовий спектрограф NIRSpec на борту JWST. Цей прилад фіксує повний спектр для кожного пікселя зображення, що дозволило науковцям скласти карту швидкостей зірок на різних відстанях від центру галактики. Цей метод називають зоряною динамікою — саме його використали для визначення маси центральної чорної діри нашого Чумацького Шляху (відкриття, відзначене Нобелівською премією з фізики у 2020 році) .

Принцип тут простий: що ближче зорі до надмасивної чорної діри, то швидше вони обертаються. Моделюючи зміну швидкостей зірок залежно від відстані до центру за допомогою законів Кеплера, команда змогла визначити «сферу впливу» чорної діри — область, де її гравітація повністю домінує над рухом зірок. Це дозволило безпосередньо виміряти її масу. Для порівняння, до цього дослідження найвіддаленіше пряме вимірювання маси методом зоряної динаміки проводили для чорної діри на відстані лише близько 700 мільйонів світлових років. MRG-M0138 побила цей рекорд більш ніж у десять разів .

Що вони знайшли: гігант, який «задушив» свою галактику

Вимірювання підтвердили, що маса чорної діри становить приблизно 6 мільярдів мас Сонця . Її рідна галактика MRG-M0138 — це масивна червона еліптична галактика, яка вже давно не утворює нових зірок. Центральна чорна діра є сплячою, тобто наразі вона не поглинає та не розігріває великі обсяги газу .

Отримані дані вказують на бурхливе минуле. Скоріш за все, MRG-M0138 колись була яскравим квазаром, чиє світло породжувалося газом, що по спіралі падав у чорну діру. Величезна енергія, вивільнена в цій активній фазі, могла нагріти або навіть викинути за межі галактики той самий газ, який є будівельним матеріалом для зірок, фактично вимкнувши зореутворення. Сучасний «мертвий», спокійний стан галактики та сплячий стан чорної діри, ймовірно, взаємопов'язані: чорна діра виросла настільки великою та потужною, що власноруч «задушила» свій зоряний дім .

Виклик моделям спільної еволюції

Це відкриття б'є в саме серце уявлень про те, як галактики та чорні діри ростуть разом. У близькому до нас Всесвіті існує тісний зв'язок між масою центральної чорної діри та властивостями балджа (центральної опуклості) її галактики, що наводить на думку про синхронну коеволюцію. Нове вимірювання надає прямі докази того, що цей зв'язок існував не завжди, і що чорні діри можуть формуватися та виростати до гігантських розмірів ще до того, як галактики завершать збирати свої зорі.

Отримані дані свідчать, що в найщільніших регіонах раннього Всесвіту зростання чорних дір було надзвичайно швидким, значно випереджаючи еволюцію навколишньої галактики . Це кидає виклик спрощеним моделям, де зростання чорної діри та галактики завжди жорстко взаємопов'язані. Майбутні дослідження за допомогою JWST, телескопів Euclid, Nancy Grace Roman та наземних гігантів, як-от Гігантський Магелланів телескоп, мають на меті застосувати цю техніку «лінзування плюс зоряна динаміка» до багатьох інших галактик. Це допоможе скласти статистичну картину спільної еволюції чорних дір та галактик протягом усієї космічної історії .