Астрономы впервые взвесили спящую сверхмассивную черную дыру в ранней Вселенной

Сверхмассивные черные дыры скрываются в центрах почти всех крупных галактик. Астрономы давно подозревают, что их масса тесно связана со свойствами родительской галактики — например, с массой центрального балджа или скоростью движения звезд. Однако проверить эту связь для далеких, молодых галактик до сих пор не удавалось: большинство измерений опирались на активные ядра — квазары, где вещество, падая на черную дыру, излучает ярчайший свет. Такие наблюдения дают лишь косвенные оценки и не подходят для спокойных, «спящих» объектов.

Международная команда под руководством Эндрю Б. Ньюмана из Университета Южной Калифорнии воспользовалась уникальным космическим явлением. Свет от галактики MRG-M0138 на пути к Земле проходит через массивное скопление галактик, которое работает как гравитационная линза, увеличивая изображение почти в 30 раз. Благодаря этому ученые смогли разглядеть детали, обычно недоступные даже самым мощным телескопам.

Скорость звезд подсказала массу невидимки

Наблюдения проводились с помощью спектрографа NIRSpec на борту «Джеймса Уэбба». Прибор позволил измерить скорости движения звезд в разных участках галактики: чем быстрее светила вращаются вокруг центра, тем сильнее там гравитационное поле. Исследователи построили детальные динамические модели, учитывающие вклад звезд, темной материи и возможной черной дыры.

Анализ показал резкий пик скоростей в центральной области, который невозможно объяснить только звездами и темной материей. Модели без черной дыры систематически расходились с данными. Наилучшее совпадение дал сценарий с объектом массой шесть миллиардов Солнц. Ученые проверили и альтернативу — компактное скопление темной материи, — но для этого потребовалась бы нереалистично высокая плотность.

Гигант, который почти перестал расти

Сама черная дыра сейчас практически неактивна. Спектроскопия не выявила признаков мощного аккреционного диска, а светимость указывает на крайне низкое поглощение вещества. Это означает, что космический гигант сформировался еще в ранней Вселенной, но к моменту наблюдения (3,5 миллиарда лет после Большого взрыва) почти перестал расти.

Сравнение с современными галактиками показало, что масса этой черной дыры примерно в 12 раз превышает ожидаемую для галактики ее размера. При этом связь между массой объекта и скоростью звезд оказалась такой же, как у галактик в современной Вселенной. Авторы предполагают, что в прошлом MRG-M0138 пережила яркую фазу квазара: активная черная дыра поглощала вещество, выделяя колоссальную энергию, которая могла выдувать газ и подавлять звездообразование. Это согласуется с теориями, по которым сверхмассивные черные дыры способны «выключать» рождение новых звезд.

Работа, опубликованная в журнале Science, открывает новый способ изучения черных дыр в ранней Вселенной. Сочетание возможностей «Джеймса Уэбба» и гравитационного линзирования позволяет заглянуть в далекое прошлое, тогда как раньше прямые измерения были доступны лишь для близких галактик.