Webb găsește dovezi pentru un trio de găuri negre active într-o galaxie din Universul timpuriu

Telescopul spațial James Webb surprinde galaxia J0148-4214 la doar 1,2 miliarde de ani după Big Bang. Aici, o echipă internațională coordonată de Institutul Max Planck de Fizică Extraterestră (MPE) a găsit indicii că trei găuri negre supermasive sunt active.

„Aceasta este prima dovadă a trei găuri negre active într-o singură galaxie în universul îndepărtat”, a explicat Hannah Übler, lideră de grup de cercetare la MPE și autoarea principală a studiului, în prezentarea rezultatelor.

Sistemul se află la mai mult de 12,5 miliarde de ani-lumină de Pământ. Prezentarea cercetării de pe ScienceDaily arată că fiecare dintre cele trei găuri negre atrage materie din discul gazos și din celelalte materiale din jurul ei.

Gazul în mișcare a permis identificarea surselor

Astronomii au urmărit lumina hidrogenului din galaxie. Gravitația din apropierea găurilor negre pune gazul în mișcare la viteze foarte mari, iar aceste mișcări lasă urme recognoscibile în spectru, adică în distribuția luminii pe lungimi de undă.

În zona centrală, emisia hidrogenului avea o structură complexă. Prezența a două găuri negre apropiate a oferit cea mai bună explicație pentru semnalul măsurat. Telescopul nu le-a distins ca două puncte luminoase separate.

Pentru a le determina pozițiile, cercetătorii au folosit spectro-astrometria: au măsurat variații foarte mici ale poziției emisiilor spectrale. Astfel au putut localiza cele două surse centrale, deși imaginea nu le separa direct.

Observațiile au fost realizate cu spectrograful în infraroșu apropiat (NIRSpec), în modul de spectroscopie cu câmp integral (IFS). Acest mod permite examinarea spectrului în diferite regiuni ale galaxiei și a făcut posibilă distingerea semnalelor. Fără detaliile despre poziția emisiilor, echipa ar fi identificat probabil o singură gaură neagră activă.

Pentru perechea centrală, separarea proiectată, măsurată în planul imaginii, este de 620 de ani-lumină. Cealaltă gaură neagră se află în regiunea exterioară a galaxiei, la aproximativ 5.500 de ani-lumină de centru.

Cea mai mică dintre ele acumulează materia mai repede

Calculele echipei indică trei mase diferite, exprimate prin comparație cu masa Soarelui:

• Aproximativ 80 de milioane de mase solare pentru cea mai mare gaură neagră.
• Aproximativ 600.000 de mase solare pentru vecina ei din zona centrală.
• Aproximativ 2 milioane de mase solare pentru al treilea obiect.

Gaura neagră mai mică din perechea centrală atrage materie într-un ritm mult mai ridicat decât vecina sa mai masivă. Rata estimată depășește limita Eddington, maximul de creștere prevăzut de modelele de bază folosite pentru găurile negre. Acest rezultat ar putea contribui la explicarea creșterii lor rapide în timpul relativ scurt disponibil în Universul timpuriu.

Telescopul spațial James Webb (JWST) a furnizat și date pentru estimarea acreției, adică a acumulării de materie. „Datele JWST ne-au permis nu doar să identificăm cele trei găuri negre, ci și să estimăm masele lor, ratele de acreție și masa stelară a galaxiei”, a explicat Giovanni Mazzolari, cercetător la MPE și al doilea autor al studiului, în prezentarea cercetării.

„Am găsit o masă stelară totală de aproximativ 1,3 miliarde de mase solare, iar găurile negre reprezintă o fracțiune semnificativă din aceasta”, a adăugat Mazzolari.

Lumina măsurată descrie o etapă veche a galaxiei

Lumina galaxiei a avut nevoie de aproximativ 12,5 miliarde de ani pentru a ajunge la Pământ. În timpul călătoriei, expansiunea Universului i-a mărit lungimile de undă, deplasând-o spre partea roșie a spectrului.

Cercetătorii au măsurat acest efect, numit deplasare spre roșu, la valoarea z=5,02. Măsurătoarea le-a permis să determine distanța și epoca din istoria Universului pe care o observă.

Fuziunea perechii centrale este o evoluție estimată

Echipa estimează că cele două găuri negre centrale ar urma să se unească în câteva sute de milioane de ani după etapa surprinsă de observații. Rezultatul ar putea fi o gaură neagră și mai masivă.

Astronomii consideră că, în Universul timpuriu, ciocnirile și unirile galaxiilor erau frecvente. Odată cu acestea, găurile negre centrale se puteau apropia până la fuziune, contribuind la formarea unor obiecte tot mai masive.

„Sugerează că procesele din universul timpuriu au fost eficiente în a aduce împreună găuri negre masive, pregătind terenul pentru fuziunile masive de găuri negre pe care ne așteptăm să le detectăm cu viitoarele observatoare de unde gravitaționale”, a explicat Übler.

„Ele sugerează că fuziunea găurilor negre poate fi o cale suplimentară și rapidă pentru creșterea lor accelerată în universul timpuriu”, a apreciat Roberto Maiolino, profesor la Universitatea din Cambridge și coautor al studiului, despre interpretarea rezultatelor.

Pentru obiectul aflat departe de centru, cercetătorii propun două scenarii. Ar putea proveni dintr-o fuziune anterioară, fiind împins spre exterior de un recul gravitațional. Un asemenea impuls poate apărea dacă undele gravitaționale sunt emise neuniform în timpul unirii, deplasând obiectul rezultat în direcția opusă. Cealaltă posibilitate este ca gaura neagră să înainteze spre centru și să ajungă ulterior să interacționeze cu perechea.

Rezultatele sugerează că și alte galaxii îndepărtate ar putea ascunde mai multe găuri negre active. Identificarea unor sisteme similare ar ajuta la reconstruirea istoriei fuziunilor și la înțelegerea creșterii timpurii a găurilor negre masive.

Cercetarea BlackTHUNDER a fost publicată în 2026 și are identificatorul DOI 10.1051/0004-6361/202557419.