Trys aktyvios supermasyvios juodosios skylės J0148-4214

Vaizdas nuo laiko pakraščio: šviesa, kuri paliko galaktiką prieš daugiau nei 12,5 milijardo metų, ką tik mus pasiekė, o joje slypi stulbinantis atradimas. Astronomai aptiko tris aktyviai maitinančias supermasyvias juodąsias skyles vienoje labai tolimoje galaktikoje, suteikdami retą galimybę suprasti, kaip juodosios skylės augo ir susijungė, kai Visata dar buvo jauna.

Užimtas centras 1,2 milijardo metų senoje Visatoje

Galaktika, pažymėta J0148-4214 kataloge, yra raudoninio poslinkio z = 5,02. Žmogaus mastu tai reiškia, kad ją matome tokia, kokia ji buvo maždaug prieš 1,2 milijardo metų po Didžiojo sprogimo. Tuo laikotarpiu galaktikos vis dar formavosi, susidurdavo ir keitėsi. Tyrėjų grupė, vadovaujama Maxo Planko Ekstraterestrinės Fizikos Instituto (MPE), pasitelkė Jameso Webbo kosminį teleskopą (JWST), kad įsigilintų į šį senovinį objektą, ir rado ne vieną, o tris juodąsias skyles, aktyviai kremtančias dujas.

Dvi juodosios skyles glaudžiai susibūrusios prie galaktikos centro. Projekcijoje danguje jos yra vos apie 620 šviesmečių atstumu viena nuo kitos, pakankamai arti, kad jų tarpusavio gravitacinis traukos poveikis greičiausiai stumtelės jas link susijungimo per ateinančius kelis šimtus milijonų metų. Trečioji yra gerokai toliau, maždaug 5 500 šviesmečių nuo centro, vienišė, kuri kelia iš karto klausimų apie savo praeitį ir ateitį.

Kaip astronomai išskyrė tris signalus

Kelių aktyvių juodųjų skylių radimas vienoje tolimoje galaktikoje nėra paprastas. Tokiais atstumais net JWST ne visada gali atskirti atskirus taškinius šaltinius. Atradimas remėsi spektriniais „pėdsakais“, ypač vandenilio emisijos linijomis, kurios atskleidžia itin dideles greičius. Centrinis spektras buvo sudėtingas, todėl komanda panaudojo spektro-astrometriją, matuodama smulkias erdvines emisijos linijų poslinkių nuosekles per galaktiką; tai technika, atskleidžianti struktūras mažesnes už instrumentų skiriamąją gebą, sekant, kaip šviesos centroidas kinta su bangos ilgiu.

Tokia analizė atskyrė susimaišiusį centrinį spindesį į dvi atskiras kremtančias juodąsias skyles. Trečiasis aktyvus branduolys išryškėjo erdviškai išspręstų duomenų galaktikos pakraštyje. Iš spektrų formų ir šviesumų tyrėjai įvertino juodųjų skylių mases maždaug 80 milijonų, 2 milijonų ir 0,6 milijono Saulės masių. Prieštaringai, mažiausia iš trijų, regis, maitinasi sparčiausiai, akretiuodama virš klasikinio Eddingtono ribos, kurią daugelis paprastų augimo modelių laiko viršutine riba.

„Tai pirmasis įrodymas apie tris aktyvias juodąsias skyles vienoje galaktikoje tolimajame Visatos regione,“ sakė Hannah Ubler, pagrindinė autorė ir tyrimų grupės vadovė MPE. Ji pridūrė, kad šis rezultatas rodo, jog ankstyvosios kosminės aplinkos buvo veiksmingos sutraukiant masyvias juodąsias skyles, kas atvėrė kelią tokių susijungimų formoms, kurias ateityje ieškos gravitacinių bangų observatorijos.

Tolimosios galaktikos J0148-4214 žemėlapis jonizuotame vandenilyje (Hα). Trys masyvių juodųjų skylių vietos pažymėtos juodais apskritimais (ne pagal mastelį). Didžiausia ir mažiausia juodosios skylės yra galaktikos centre; trečioji yra galaktikos pakraštyje.

Kodėl tai svarbu juodųjų skylių augimui ir gravitacinėms bangoms

Galaktikų susijungimai yra pagrindinė hierarchinės struktūros formavimo dalis, modelis, kuriame maži dariniai jungiasi ir kuria didesnius. Kai galaktikos susijungia, jų centrinės juodosios skylės atsiduria tame pačiame rajone ir galiausiai gali susilieti, sukurdamos masyvesnes juodąsias skyles ir išskirdamos energiją gravitacinių bangų pavidalu. Kelių aktyvių branduolių stebėjimas vienoje aukšto raudoninio galaktikoje pateikia empirinius duomenis, palaikančius šį greito augimo kanalą ankstyvojoje Visatoje.

Dr. Giovanni Mazzolari, bendraautorius ir MPE tyrėjas, pabrėžė, kad JWST duomenys leido komandai neapsiriboti vien aptikimu. Derindami spektrinę ir erdvinę informaciją, jie galėjo įvertinti ne tik juodųjų skylių mases ir akrecijos greičius, bet ir šeimininkės galaktikos žvaigždžių masę, kuri, pasak jų, yra apie 1,3 milijardo Saulės masių. Tokiu kontekstu juodosios skylės sudaro reikšmingą galaktikos masės dalį, pabrėžiant, koks svarbus aktyvių branduolių poveikis formavo jaunąsias galaktikas.

Roberto Maiolino, bendraautoris ir Kembridžo universiteto profesorius, pažymėjo, kad susijungimai gali suteikti greitą kelią sukurti supermasyvias juodąsias skyles, kurias stebime dideliame raudoninyje. Jei dvi centrinės struktūros susijungs per kelis šimtus milijonų metų, likutis gali smarkiai padidinti masę ir pakeisti galaktikos evoliuciją, įskaitant žvaigždžių formavimąsi ir dujų dinamiką.

Eksperto įžvalga

„Tokie atradimai keičia mūsų supratimą apie ankstyvųjų juodųjų skylių demografiją,“ sakė dr. Leila Moreno, fikcinė astrofizikė, tirianti kompaktinių objektų populiacijas. „Matyti kelis aktyvius branduolius vienoje senoje galaktikoje reiškia, kad sąlygos spartiam augimui jau buvo susiformavusios labai anksti. Tai taip pat leidžia tikėtis gausaus juodųjų skylių susijungimų signalo, kai pradės veikti kosminės gravitacinių bangų observatorijos.“

Už antraščių, stebėjimo technika turi didelę reikšmę. Spektrovaizdinimo įrenginiai, teikiantys erdviškai išspręstą spektroskopiją, tokie kaip JWST NIRSpec-IFS, yra ypač tinkami rasti paslėptus palydovus perpildytose, tolimose sistemose. Be tos erdvinės informacijos astronomai galėjo priskirti J0148-4214 vienam aktyviam branduoliui ir praleisti vykstančią dinamiką.

Pasekmės ir tolesni žingsniai

Lieka keletas atvirų klausimų. Ar išcentrinė juodoji skylė yra likutis, išstumtas gravitacinio atšokimo po ankstesnio susijungimo, ar ji vis dar spiralėja link centro po neseniai įvykusio galaktikos susidūrimo? Kaip dažnos yra trigubos aktyvios branduolės aukšto raudoninio galaktikose ir kokia dalis jų veda prie sekančių susijungimų, galinčių per kelis šimtus milijonų metų sukurti juodąsias skyles, turinčias milijardų Saulės masių?

Ateities stebėjimai gali išplėsti imtį, išsamiau ištirti šeimininkės galaktikos aplinką ir sekti tolesnes simuliacijas, įtraukiant dujų dinamiką bei gravitacinio atšokimo efektus. Kartu su artėjančiomis gravitacinių bangų įrangomis ir papildomais giliaisiais JWST laukais, tokios sistemos kaip J0148-4214 padės sumažinti spragą tarp teorinių modelių ir to, ką Visata iš tikrųjų darė savo pirmajame milijarde metų.

Išvada

Tryjų supermasyvių juodųjų skylių aptikimas, kurios aktyviai maitinasi vienoje galaktikoje nuo Visatos aušros, yra įspūdinga įrodymų dalis. Tai pabrėžia, koks sudėtingas ir dinamiškas galėjo būti ankstyvasis galaktikų sudarymas, ir rodo, kad susijungimai buvo tinkama ir greita juodųjų skylių augimo kryptis. Tobulėjant stebėjimo galimybėms, turėtume laukti dar daugiau netikėtumų iš tolimo kosmoso.