Астрономы с использованием космического телескопа «Джеймс Уэбб» смогли в максимальной степени детализировать процесс роста сверхмассивной черной дыры в ранней Вселенной — прямо внутри «грозди» из еще формирующихся галактик.
Объект, попавший в поле зрения астрономов, существует всего через миллиард лет после Большого взрыва и находится рядом с длинной нитью длиной примерно 12 000 парсек, в которой расположены несколько галактик, которые в ближайшие сотни миллионов лет объединятся в одну.
Центральная галактика системы, обозначенная как GN‑77652, содержит активную черную дыру массой около 11 миллионов солнечных масс. В то же время ее звездное население сравнительно невелико: всего порядка 170 миллионов солнечных масс. Это означает, что черная дыра приблизительно в 300 раз тяжелее, чем предполагаемое по соотношению масс черных дыр и галактик, измеренному в ближней Вселенной. С момента запуска JWST астрономы уже обнаружили несколько подобных «перекормленных» черных дыр в ранних галактиках, но новая система позволяет впервые увидеть их окружение в столь подробных деталях.
Астрономы Института внеземной физики Макса Планка под руководством Джулии Тоцци использовали спектрограф NIRSpec в режиме интегрального поля и глубокие снимки NIRCam в рамках программы BlackTHUNDER. Выяснилось, что GN‑77652 окружена как минимум четырьмя дополнительными «комками» звезд и газа, сопоставимыми с галактиками, обозначенными B, C, D и E. Все они имеют практически одинаковое красное смещение (z ≈ 5,23), что указывает на то, что они находятся на одном расстоянии и физически связаны. Эти компоненты вытянуты вдоль нити на расстояниях от ~2,4 до 11,6 килопарсека от GN‑77652.
Интересно, что сама GN‑77652 не является самой массивной галактикой в этой группе: источники B и D содержат в звездах примерно в десять раз больше массы. Газ в структуре, судя по данным, стекается к источнику B в центре, что намекает на будущий значительный слив всей структуры. При этом отдельные галактики сильно различаются по звездной массе, скорости звездообразования и насыщенности тяжелыми элементами, что свидетельствует о том, что каждая из них находится на своей стадии эволюции.
![Слева: Карта излучения [O III], показывающая всю систему при z ≈ 5,23. Выделяются пять отдельных источников: GN-77652 (A) и четыре более протяженных источника (B, C, D, E). Сплошные контуры обозначают форму каждого источника на основе двумерной гауссовой аппроксимации его излучения [O III]; пунктирные контуры обозначают аналогичную аппроксимацию, но с использованием изображения F444W. Справа: Спектры каждого источника, полученные с использованием тех же сплошных апертур, что и слева, из данных NIRSpec IFU с более низким разрешением. Для сравнения сверху также показан спектр GN-77652 с более высоким разрешением NIRSpec MSA. Спектры демонстрируют различия в форме континуума и в относительной интенсивности эмиссионных линий от ультрафиолетового диапазона в системе покоя до оптического диапазона, что указывает на различные физические свойства различных источников.](https://resizer.mail.ru/p/cb83f0c9-2d6a-583d-affc-d0a75b78df5f/AQAKcioQe4mvC6UnfC8hH73fgGnCx1Go-jKyTDx1QRG-vhJeUPBOp-pAOcb28LdgjSEa9RdRXNVpb2szRybgX7oeneY.jpg "Слева: Карта излучения [O III], показывающая всю систему при z ≈ 5,23. Выделяются пять отдельных источников: GN-77652 (A) и четыре более протяженных источника (B, C, D, E). Сплошные контуры обозначают форму каждого источника на основе двумерной гауссовой аппроксимации его излучения [O III]; пунктирные контуры обозначают аналогичную аппроксимацию, но с использованием изображения F444W. Справа: Спектры каждого источника, полученные с использованием тех же сплошных апертур, что и слева, из данных NIRSpec IFU с более низким разрешением. Для сравнения сверху также показан спектр GN-77652 с более высоким разрешением NIRSpec MSA. Спектры демонстрируют различия в форме континуума и в относительной интенсивности эмиссионных линий от ультрафиолетового диапазона в системе покоя до оптического диапазона, что указывает на различные физические свойства различных источников.")
GN‑77652 демонстрирует плавный градиент скоростей, что согласуется с вращающимся газовым диском небольших размеров. Авторы подчеркивают, что это редкий, но уже подтвержденный для нескольких подобных объектов признак того, что галактика функционирует как «нормальная» звездообразующая система, а не как хаотично разрушенная в результате слияний.
Наиболее интригующий результат наблюдений связан с источником B, находящимся всего в 2,4 килопарсека (по проекции) от GN‑77652. Соотношения яркости эмиссионных линий в нем показывают, что газ ионизован чем-то более мощным, чем обычное звездное излучение. Авторы проверили гипотезу о том, что это «подсветка» от активного ядра GN‑77652, но расчеты продемонстрировали: для объяснения наблюдений требуется поток ионизирующего света, как минимум в сотни раз превышающий то, что может предоставить черная дыра GN‑77652. Это указывает на наличие второго активного ядра прямо в галактике B. Если последующие наблюдения подтвердят этот вывод, система станет одной из немногих известных пар близко расположенных черных дыр на такой ранней стадии эволюции Вселенной.
На основе расстояний и масс астрономы предполагают, что весь кластер галактик должен объединиться в одну примерно через 150–440 миллионов лет. Моделируя рост черной дыры и звездной массы объединенной системы, ученые установили, что соотношение между ними приблизится к тому, что наблюдается в типичных галактиках на сегодняшний день. Компактный «перекормленный» вид GN-77652, вероятно, представляет собой краткоживущую эволюционную фазу.
Астрономы также зафиксировали повторяющееся извержение черной дыры в реальном времени.
Фото: hi-tech.mail.ru