Космическое Трио. В молодой галактике впервые обнаружены три чёрные дыры

Карта далёкой галактики J0148-4214 в ионизированном водороде (Hα). Расположение трёх массивных чёрных дыр обозначено чёрными кружками (масштаб не соблюдён). Самая массивная и самая маломассивная чёрные дыры расположены в центре галактики; третья чёрная дыра находится на окраине галактики.

© Ханна Юблер

Исследователи впервые идентифицировали три активно аккрецирующие сверхмассивные черные дыры в далекой одиночной галактике J0148-4214.

Две из черных дыр расположены близко друг к другу в центре галактики, а третья находится дальше; открытие стало возможным благодаря спектроскопии с пространственным разрешением, проведенной с помощью телескопа JWST/NIRSpec-IFS.

Полученные данные позволяют предположить, что слияния и взаимодействия в ранней Вселенной могли сыграть важную роль в быстром росте сверхмассивных черных дыр.

Визуализация далёкой галактики, созданная с помощью искусственного интеллекта, содержащая, помимо пыли, газа и молодых звёзд, три массивные активные чёрные дыры (чёрные сферы, масштаб не соблюдён) с яркими аккреционными дисками. На заднем плане показаны другие далёкие галактики, а на переднем плане — несколько звёзд.

© MPE (сгенерировано с помощью ИИ)

Подробно. Машинный перевод 

Международная группа исследователей под руководством Института внеземной физики им. Макса Планка идентифицировала три активно аккрецирующие сверхмассивные черные дыры в галактике J0148-4214. Галактика находится на расстоянии более 12,5 миллиардов световых лет от Земли (красное смещение z=5,02), что соответствует примерно 1,2 миллиардам лет после Большого взрыва. Результаты основаны на пространственно-разрешенной спектроскопии, полученной с помощью ближнеинфракрасного спектрографа в режиме интегрального полевого блока (NIRSpec-IFS) на борту космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST).

«Это первое свидетельство существования трех активных черных дыр в одной галактике в далекой Вселенной», — говорит Ханна Юблер, руководитель исследовательской группы в MPE и ведущий автор исследования. Две из них расположены в центре галактики и разделены всего 620 световыми годами в проекции. Третья черная дыра находится во внешней области галактики, на расстоянии приблизительно 5500 световых лет от центра. «Это говорит о том, что процессы в ранней Вселенной эффективно сближали массивные черные дыры, создавая условия для слияний массивных черных дыр, которые мы ожидаем обнаружить с помощью будущих обсерваторий гравитационных волн», — говорит Юблер.

Выбросы водорода в качестве индикатора

Исследователи идентифицировали черные дыры по их спектральным отпечаткам: сигналам атомов водорода, движущихся с высокой скоростью в гравитационном потенциале черных дыр. В центральной области спектр демонстрирует сложную структуру, которую лучше всего объясняют две черные дыры, расположенные в непосредственной близости друг от друга. Чтобы разделить два центральных источника, команда применила спектроастрометрию — метод, который точно измеряет пространственные сдвиги в линейном излучении по всей галактике. Это позволило определить положения черных дыр, хотя их нельзя пространственно разрешить как отдельные точечные источники. Третья черная дыра была обнаружена во внешней области.

Команда также рассмотрела альтернативные интерпретации, включая сверхновые, ударные волны, звездные ветры или очень массивные звезды, но исключила их на основе анализа других спектральных характеристик. 

Массы и рост 

Анализ показывает, что массы черных дыр составляют приблизительно 80 миллионов, 0,6 миллиона и 2 миллиона солнечных масс. Самая массивная черная дыра аккрецирует с меньшей скоростью, чем расположенная рядом черная дыра массой 0,6 миллиона солнечных масс, которая активно питается и даже превышает максимальную скорость аккреции, предсказанную основными теориями роста черных дыр (предел Эддингтона).

«Данные телескопа JWST позволили нам не только идентифицировать три черные дыры, но и оценить их массы, темпы аккреции и звездную массу галактики», — говорит доктор Джованни Маццолари, второй автор исследования и научный сотрудник MPE. «Мы обнаружили, что общая звездная масса составляет около 1,3 миллиарда солнечных масс, и черные дыры составляют значительную часть этой массы».

Ожидается, что центральная пара черных дыр сольется в течение следующих нескольких сотен миллионов лет. «Эти результаты чрезвычайно интересны», — добавляет Роберто Майолино, профессор Кембриджского университета и соавтор исследования. «Они предполагают, что слияние черных дыр может быть дополнительным, быстрым путем их стремительного роста в ранней Вселенной».

Третья черная дыра, расположенная вне ядра, может быть остатком предыдущего слияния, смещенным от центра гравитационным импульсом отдачи, или же в настоящее время мигрирует внутрь. 

Последствия для исследований

Эти наблюдения демонстрируют, что интегральная спектроскопия поля является важным инструментом для идентификации множественных активных черных дыр в далеких галактиках. Без пространственно-разрешенной информации, предоставляемой NIRSpec-IFS, вероятно, была бы обнаружена только одна из трех черных дыр.

Полученные результаты дают новое понимание процесса роста сверхмассивных черных дыр и галактик, в которых они находятся. Они подтверждают идею о том, что слияния и взаимодействия играли важную роль в ранней Вселенной, и определяют эту систему как потенциального предшественника будущих слияний черных дыр, которые можно будет наблюдать с помощью таких перспективных установок для исследования гравитационных волн, как LISA.

https://www.mpe.mpg.de/8218247/news-20260812