Космический телескоп «Джеймс Уэбб» мог поймать один из этапов, позволяющих чёрным дырам набирать огромную массу вскоре после рождения Вселенной. Астрономы обнаружили сразу четыре тесные пары компактных красных источников, существовавших примерно 12,5–12,8 млрд лет назад. Каждый компонент напоминает молодой объект с активно растущей чёрной дырой, а небольшие расстояния между компонентами позволяют рассматривать пары как возможных предшественников будущих слияний.
Международная группа под руководством Такуми Танаки из Токийского университета проанализировала наблюдения программы COSMOS-Web. Работа опубликована 31 августа в Publications of the Astronomical Society of Japan. Учёные искали так называемые маленькие красные точки, или LRD, загадочный класс очень далёких компактных источников, который «Джеймс Уэбб» начал массово находить после запуска научных наблюдений.
Обычные методы поиска LRD могли пропускать именно самые интересные системы. Астрономы обычно оценивают суммарную яркость, цвет и компактность источника. Близкий сосед меняет форму и цвет изображения, поэтому два расположенных рядом объекта способны превратиться при обработке в один сложный источник либо вообще не пройти критерии отбора. Команда Танаки разработала метод, который анализирует цвет изображения пиксель за пикселем и позволяет выделять отдельные красные компоненты даже на очень малом расстоянии друг от друга.
Новый поиск выявил четыре двойные системы. Угловое расстояние между компонентами составляет от 0,2 до 1,2 угловой секунды, что соответствует примерно 1–7 килопарсекам на предполагаемом расстоянии до объектов. Три пары разделяет всего около 1–2 килопарсеков. Для сравнения, диаметр Млечного Пути составляет около 100 тысяч световых лет, поэтому найденные источники находятся друг к другу чрезвычайно близко по галактическим масштабам.
Астрономы отдельно проверили вероятность случайного совпадения, при котором два далёких объекта просто оказываются почти на одной линии зрения. Исследователи сравнили расположение 829 отобранных LRD с 10 тысячами искусственных каталогов со случайным распределением источников. Даже при крайне консервативном предположении, что половина выборки может состоять из объектов другого типа, вероятность случайно получить четыре пары с наблюдаемыми малыми расстояниями составила около 0,02%. Для трёх самых тесных пар вероятность упала примерно до 0,0007%.
Статистика указывает на необычно сильную концентрацию LRD на масштабах нескольких килопарсеков. По расчётам авторов, тесное группирование может быть примерно в 20–50 раз сильнее, чем предсказывает простое продолжение распределения, измеренного на больших расстояниях. Подобная концентрация хорошо согласуется со сценарием взаимодействующих молодых галактик, где гравитационное столкновение направляет большие объёмы газа к центрам и резко ускоряет питание чёрных дыр.
Две найденные пары получили дополнительную проверку с помощью бесщелевой спектроскопии COSMOS-3D. В обоих компонентах каждой пары исследователи обнаружили спектральную линию на одинаковой наблюдаемой длине волны. При интерпретации линии как излучения водорода Hα красные смещения составляют z=5,822 и z=5,464, а расстояния между компонентами достигают 1,64 и 7,36 килопарсека. Совпадение красных смещений заметно укрепляет версию физически связанных систем, а не случайно наложившихся источников.
Полного подтверждения природы всех восьми объектов пока нет. Две пары остаются фотометрическими кандидатами без спектроскопического подтверждения, а в двух остальных системах спектроскопия зарегистрировала лишь по одной предположительной линии. Исследователям также предстоит установить, действительно ли каждый LRD содержит активно поглощающую вещество сверхмассивную чёрную дыру. Современные наблюдения всё чаще связывают значительную часть LRD с ростом чёрных дыр, однако происхождение всей популяции пока остаётся предметом дискуссии.
Неопределённость хорошо видна по оценкам массы предполагаемых чёрных дыр. Модель плотной газовой оболочки вокруг аккрецирующей чёрной дыры даёт примерно 105,3–106,3 масс Солнца. Оценка по широким спектральным линиям для двух наиболее изученных компонентов повышает значения примерно до 107,1–107,3 масс Солнца. Разница достигает одного-двух порядков и показывает, насколько мало астрономы пока знают о физическом устройстве маленьких красных точек.
Если дальнейшие наблюдения подтвердят наличие чёрных дыр в обеих частях двойных систем, результаты дадут новый механизм быстрого появления первых космических гигантов. Слияния галактик способны усиливать приток газа, ускорять аккрецию, а позднее приводить к слиянию центральных чёрных дыр. Подобные события с массами порядка 106–107 солнечных могут стать источниками гравитационных волн, доступных будущим космическим обсерваториям.
Сейчас четыре двойные системы составляют лишь около 0,5% от выборки из 829 LRD, однако авторы предупреждают, что простая доля не учитывает чувствительность наблюдений и особенности отбора. Следующий этап потребует более глубокой спектроскопии, в том числе пространственно разрешённых наблюдений JWST, и проверки значительно большей площади неба. Статистика близких пар поможет выяснить, насколько большую роль столкновения и последующие слияния сыграли в появлении сверхмассивных чёрных дыр в первый миллиард лет космической истории.
