Що з'явилося раніше — галактика чи чорна діра в її центрі? Донедавна відповідь здавалася очевидною: спочатку формується галактика з мільярдами зірок, найбільші з яких вибухають і колапсують у чорні діри. Ці зародкові чорні діри поступово ростуть, зливаються між собою і поглинають навколишню матерію, перетворюючись за мільярди років на надмасивні об'єкти в центрах галактик.

Проблема в тому, що телескоп James Webb знаходить надмасивні чорні діри в такі ранні епохи Всесвіту, що вони просто не встигли б вирости звичайним шляхом. Нове дослідження об'єкта Abell2744-QSO1 дає перше пряме підтвердження: принаймні деякі чорні діри народжувалися одразу величезними, ще до того, як навколо них сформувалася повноцінна галактика.

Крихітна крапка, збільшена гравітацією

Abell2744-QSO1 (QSO1) — представник класу об'єктів, які астрономи називають «маленькими червоними крапками» (Little Red Dots). Це компактні, дуже яскраві в інфрачервоному діапазоні джерела, які Webb почав масово виявляти в ранньому Всесвіті.

Об'єкт існував лише через 700 мільйонів років після Великого вибуху, а його світло діставалося до нас понад 13 мільярдів років. Розмір галактики — усього 1300 світлових років, це в сотні разів менше за типову галактику на кшталт Чумацького Шляху.

Вивчати такий далекий і тьмяний об'єкт було б надзвичайно складно, якби не щасливий збіг: QSO1 лежить точно за скупченням галактик Abell 2744, відомим як Pandora's Cluster. Його гравітація діє як лінза — світло QSO1 викривляється, посилюється і роздвоюється, і об'єкт видно одразу у трьох місцях на небі.

Кеплерівський рух видає масу чорної діри

Попередні дослідження вже натякали, що QSO1 — це, по суті, хмара світного водню та гелію, яка обертається навколо чорної діри масою близько 40 мільйонів сонячних мас. Але всі попередні оцінки мас чорних дір у ранньому Всесвіті були непрямими — засновані на припущеннях, перенесених з фізики близьких галактик.

Команда під керівництвом Ігнаса Юодзбаліса та Козімо Марконціні використала спектрограф NIRSpec з інтегральним польовим блоком (IFU), щоб побудувати карту руху газу навколо чорної діри QSO1. Виявилося, що швидкість обертання газу залежить від відстані до центру так само, як швидкість планет залежить від відстані до Сонця — це називають кеплерівським рухом.

Такий характер обертання можливий лише тоді, коли майже вся маса системи сконцентрована в одній точці — в центральній чорній дірі. Якби значну частину маси становили зірки, розподілені по всій галактиці, обертання газу виглядало б інакше.

Завдяки цьому вчені вперше змогли обчислити масу чорної діри в перший мільярд років історії Всесвіту напряму, за законами гравітації, а не за непрямими оцінками. Результат — близько 50 мільйонів сонячних мас, і ця величина узгоджується з попередніми непрямими вимірюваннями подібних об'єктів.

Дві третини маси — це чорна діра, а не зорі

Найбільш промовиста цифра дослідження: чорна діра становить дві третини загальної маси системи QSO1. Для порівняння, у сусідніх галактиках, включно з Чумацьким Шляхом, центральна чорна діра — це нікчемна частка маси всієї галактики, у тисячі разів менша частка.

Карти хімічного складу, побудовані тим самим інструментом NIRSpec, показали ще одну аномалію. Газ навколо чорної діри складається майже виключно з водню та гелію, з мінімальною кількістю важчих елементів на кшталт кисню. Металічність (частка елементів важчих за гелій) тут менша за 0,5% сонячної — це один з найчистіших газових середовищ, коли-небудь зафіксованих.

Такий склад означає відсутність масштабного зореутворення в минулому: якби покоління зірок уже народжувались, жили і вибухали наднoвими, вони б збагатили газ важкими елементами. Натомість QSO1 виглядає так, ніби чорна діра з'явилась першою, а галактика довкола неї ще тільки починає будуватися.

Це неабиякий результат. Це зміна парадигми, повний перегляд класичних сценаріїв формування і росту чорних дірРоберто Майоліно, Кембриджський університет

Первинні чорні діри чи пряме колапсування

Непропорційно велика маса чорної діри відносно материнської галактики говорить про те, що вона не могла вирости поступово, шляхом злиття і накопичення маленьких зародкових чорних дір. Дослідники бачать у цьому підтвердження двох теоретичних сценаріїв: первинних чорних дір або чорних дір прямого колапсу.

В обох випадках об'єкт народжується одразу масивним — можливо, протягом першої секунди після Великого вибуху, або дещо пізніше, внаслідок прямого колапсу гігантської хмари газу без проміжної стадії зірки. Обидві ідеї довго існували лише теоретично, і QSO1 дає перше спостережне свідчення на їхню користь.

Команда вважає, що подібні «маленькі червоні крапки» не могли бути рідкістю в ранньому Всесвіті, і зараз аналізує інші аналогічні об'єкти. Мета — з'ясувати, чи справді надмасивні чорні діри регулярно з'являлися раніше за галактики, у яких вони зараз мешкають. Результати дослідження опубліковані в журналах Nature та Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.