Космічний телескоп James Webb знову посунув межу, до якої можна простежити зростання надмасивних чорних дір. Дослідники виявили об'єкт MoM-BL-z10 із червоним зміщенням z = 9,9837 ± 0,0009. У його спектрі є ознаки широкої емісійної лінії водню, а це типова прикмета активного ядра галактики. Якщо інтерпретацію підтвердять, це найвіддаленіша чорна діра з широкими лініями серед відомих.
Робота опублікована як препринт на arXiv, тобто ще не пройшла рецензування.
Як знайшли MoM-BL-z10
Webb відкрив раніше невідому популяцію слабких активних галактичних ядер (AGN) у ранньому Всесвіті. Так називають центральні області галактик, де надмасивна чорна діра поглинає газ і яскраво світиться. Автори вирішили шукати такі об'єкти систематично. Вони взяли публічні спектри з режиму PRISM приладу NIRSpec, які зібрані в архіві DAWN JWST Archive, і відібрали джерела з z ≥ 6.
У спектрі MoM-BL-z10 на довжині хвилі 5,35 мкм лінія водню Hβ має широку складову. Газ поблизу чорної діри обертається так швидко, що через ефект Доплера лінія розширюється. Модель з вузькою та широкою гаусовими складовими дала ширину широкої компоненти (FWHM, ширину на половині висоти) 3480 км/с із асиметричною похибкою від −950 до +2040. Відношення сигналу до шуму для цієї складової становить 3,87. Світність широкої лінії Hβ дорівнює приблизно 1,25 · 10⁴² ерг/с.
Додаткові ознаки активного ядра
Саме по собі розширення лінії з такою значущістю ще не вичерпує доказів. Тому автори наводять і непрямі ознаки. У спектрі є лінія [Ne III] λ3870 та високі співвідношення [Ne III]/[O II] і [O III]/Hβ. Вони підтримують версію про активне ядро.
Є й схожість із «маленькими червоними цятками» (Little Red Dots, LRD). Це компактні червоні джерела, яких Webb знайшов багато. У MoM-BL-z10 нахили континууму в ультрафіолетовому та оптичному діапазонах, а також компактна морфологія за даними NIRCam подібні до характеристик таких об'єктів. До того ж є попереднє виявлення в фільтрі MIRI F770W.
Яка маса чорної діри
Широка лінія дає змогу оцінити масу за вірільним методом. Швидкість газу та розмір області, де він рухається, пов'язані з масою центрального тіла. Для цього використовують стандартне калібрування за одним спектром. Для z ≈ 10 таку оцінку зробили вперше.
За стандартного калібрування та болометричної поправки для квазарів маса становить 3,6 · 10⁷ мас Сонця, тобто близько 36 мільйонів, із діапазоном від 1,9 до 9,4 мільйона мас Сонця. Швидкість акреції в цьому випадку складає 0,11 від межі Едінгтона. Це межа, за якої тиск випромінювання врівноважує гравітацію.
Автори розглянули й альтернативу. Якщо взяти болометричну поправку, специфічну для LRD, і припустити, що чорна діра росте точно на межі Едінгтона, маса виходить 2,1 · 10⁶, тобто близько 2,1 мільйона мас Сонця.
Наскільки впевнені в результаті
Висновок має кілька обмежень. Значущість широкої складової невисока: S/N = 3,87. Похибка ширини лінії велика, а маса залежить від ширини. Оцінка змінюється майже в двадцять разів залежно від прийнятих припущень: від 2,1 до 36 мільйонів мас Сонця. Виявлення в MIRI автори називають попереднім. Тож результат варто сприймати як сильного кандидата, який потребує підтвердження глибшими спостереженнями.
Чому це важливо
Вік Всесвіту на цьому червоному зміщенні становить лише 470 мільйонів років. За такий час чорна діра мусила набрати щонайменше кілька мільйонів мас Сонця, а за стандартною оцінкою навіть десятки мільйонів. Автори наголошують, що в обох сценаріях це ускладнює пояснення швидкого зростання. Потрібна або надкритична акреція (вище межі Едінгтона) з зародка зоряної маси, або масивніший початковий зародок.
MoM-BL-z10 стає орієнтиром для моделей раннього зростання надмасивних чорних дір. Далі потрібні глибші спектри з вищою роздільною здатністю. Вони покажуть, чи справді широка складова реальна і яка в неї ширина. Це уточнить масу та допоможе зрозуміти, чи схожі такі об'єкти на «маленькі червоні цятки».
