«Джеймс Уэбб» впервые взвесил спящую сверхмассивную чёрную дыру на расстоянии 10 миллиардов световых лет

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» измерил массу спящей сверхмассивной чёрной дыры в галактике MRG-M0138. Объект находится на расстоянии 10 миллиардов световых лет, а его масса в 6 миллиардов раз превышает массу Солнца. Это первый случай, когда астрономам удалось взвесить неактивную чёрную дыру на столь огромном удалении — предыдущий рекорд был почти в пятнадцать раз скромнее.

Астрономы впервые применили метод звёздной динамики для измерения массы чёрной дыры на расстоянии 10 миллиардов световых лет. Предыдущий рекорд составлял 700 миллионов световых лет. То есть учёные заглянули в прошлое почти в четырнадцать раз дальше, чем когда-либо прежде. Объект расположен в центре галактики MRG-M0138, которая находится настолько далеко, что её свет летел к Земле 10 миллиардов лет — в то время, когда Вселенная была примерно на треть моложе, чем сейчас.

Почему спящие дыры не видны

По словам учёных, сверхмассивные чёрные дыры легко заметить, когда они активно питаются и окружены веществом в области активного галактического ядра. Такие объекты светятся очень ярко — их называют квазарами. Это одни из самых ярких объектов во Вселенной, их свет может превосходить свечение целых галактик. Однако спящие чёрные дыры, с необильными запасами газа и пыли, не так заметны. Они не излучают, не светятся, не выдают себя яркими вспышками. Их почти невозможно увидеть напрямую. Но даже такие «спящие» объекты оказывают гравитационное воздействие на вращающиеся вокруг них газ, пыль и — что самое важное — на движение звёзд.

Как работает звёздная динамика

Руководитель группы Ричард Эллис из Университетского колледжа Лондона пояснил, что определение коллективного движения звёзд в ядре далёкой галактики позволило измерить массу сверхмассивной чёрной дыры. Иначе обнаружить этот объект было бы невозможно. Звёзды в центре галактики вращаются вокруг невидимого центрального тела — чёрной дыры. Чем массивнее дыра, тем быстрее движутся звёзды на заданном расстоянии от центра. Измерив скорость звёзд, можно вычислить массу того, вокруг чего они вращаются.

Ранее метод звёздной динамики применялся для взвешивания спящих чёрных дыр, расположенных ближе к Земле. Так была измерена масса сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей галактики — Стрельца А*. Расстояние до этого объекта составляет всего 26 тысяч световых лет, что в 385 тысяч раз ближе, чем MRG-M0138. Масса дыры в центре Млечного Пути равна 4,3 миллиона солнечных масс. Это в 1400 раз меньше, чем масса дыры, измеренной «Джеймсом Уэббом».

Гравитационное линзирование как увеличительное стекло

Определить движение звёзд в центре галактики MRG-M0138 оказалось непростой задачей. Для этого учёным потребовалось явление гравитационного линзирования. Этот эффект предсказала общая теория относительности Альберта Эйнштейна. Согласно ей, когда массивный объект (например, галактика или скопление галактик) находится между далёкой галактикой и Землёй, его гравитация искривляет пространство-время. В результате свет от фонового источника отклоняется от прямолинейного пути. Чем ближе луч света проходит к гравитационной линзе, тем сильнее искривляется его путь. Это явление позволяет увеличить изображение далёкого объекта, подобно тому, как обычная лупа увеличивает мелкий текст.

В случае с MRG-M0138 между ней и Землёй оказалась другая галактика. Она перефокусировала свет от далёкой галактики и увеличила его в тридцать раз. Без этого увеличения звёзды в центре MRG-M0138 были бы неразличимы, и измерить их движение не представлялось бы возможным. Благодаря гравитационному линзированию исследователи смогли детально реконструировать внутреннее строение MRG-M0138 и разглядеть звёзды, вращающиеся вокруг невидимой чёрной дыры.

Галактика-зомби

Исследователи определили, что галактика MRG-M0138 находится в спящем, или «мертвом», состоянии. В ней больше не происходит образование новых звёзд. Это галактика-зомби — она существует, но не развивается. Вероятная причина заключается в поведении сверхмассивной чёрной дыры на раннем этапе её истории. В тот период дыра пережила эпоху ненасытного питания. Она поглощала газ и пыль с огромной скоростью, и тогда она выглядела как пылающий квазар в центре активного ядра галактики. Свет этого квазара, вероятно, затмевал свет всех звёзд галактики вместе взятых.

Высвободившаяся на этом этапе колоссальная энергия — в виде излучения, ударных волн и потоков разогнанных частиц — оттолкнула газ и пыль от чёрной дыры и от самой галактики. Этот процесс, называемый обратной связью активного галактического ядра, буквально «выдул» весь межзвёздный газ за пределы галактики. Без газа нет нового звёздообразования. Так MRG-M0138 истощила саму себя и лишилась сырья для рождения новых звёзд.

Что это значит для науки

Благодаря этим наблюдениям учёные смогут лучше понять взаимосвязь между ростом галактик и ростом сверхмассивных чёрных дыр. Также новые данные помогут выяснить роль этих космических гигантов в прекращении звёздообразования — одного из самых загадочных процессов в эволюции галактик.

Сегодня мы видим галактику MRG-M0138 такой, какой она была 10 миллиардов лет назад — спящей, мёртвой, истощённой собственной чёрной дырой. Возможно, такая же судьба ожидает и наш Млечный Путь через несколько миллиардов лет, когда он сольётся с галактикой Андромеды и питающая их сверхмассивная чёрная дыра проснётся, чтобы пожирать газ и оставить новую галактику без будущего. «Джеймс Уэбб» заглянул в это далёкое прошлое, чтобы помочь нам понять, каким может быть будущее. И это будущее, судя по всему, не сулит ничего хорошего для звёздообразования. Но для науки — это бесценный подарок.