С помощта на космическия телескоп „Джеймс Уеб“ изследователи откриха признаци на три активни масивни черни дупки в галактиката J0148-4214. Светлината им е пътувала до Земята в продължение на 12,5 милиарда години.

Откритието предполага, че сложни системи с няколко такива обекта са могли да се формират още в ранните етапи от историята на Вселената.

Масивните черни дупки нарастват основно по два начина: чрез акреция (поглъщане) на околния газ и чрез сливане с други подобни обекти.

Смята се, че през по-голямата част от историята на Вселената именно акрецията е била основният източник за увеличаване на тяхната маса.

Сблъсъците между галактики обаче могат допълнително да ускорят този процес.

Взаимодействията насочват газови потоци към централните региони, засилвайки акрецията, и същевременно сближават централните черни дупки.

Ако след такъв сблъсък няколко черни дупки се окажат в близост, те могат да образуват свързана система и в крайна сметка да се слеят.

Предишни наблюдения вече са показали, че в ранната Вселена галактиките са си взаимодействали активно, създавайки условия за появата на системи от няколко черни дупки

Тяхното присъствие може да бъде установено по излъчването на акрециращия газ и характерните широки емисионни линии в спектъра.

През 2023 и 2024 г. екип от астрономи, ръководен от Хана Юблер от Института за извънземна физика „Макс Планк“ в Германия, наблюдава галактиката J0148-4214.

Тя е с червено отместване z = 5,0167, което означава, че я виждаме такава, каквато е била около 1,15 милиарда години след Големия взрив.

С помощта на камерата за близка инфрачервена светлина NIRCam и спектрографа NIRSpec на „Джеймс Уеб“ учените откриват две пространствено разделени области с широки емисионни линии Hα (спектрална линия на водорода).

Най-доброто обяснение за тях е наличието на две активно поглъщащи материя масивни черни дупки

Учените установяват, че двете черни дупки, наречени BH1 и BH2, са разположени на разстояние от около 620 светлинни години една от друга.

Масата им е съответно 79 милиона и 630 хиляди слънчеви маси.

Малко по-късно екипът на Юблер открива още един участък с бързо движещ се водород в J0148-4214.

Той се намира в покрайнините на галактиката, на повече от 5500 светлинни години от първите две области. Наблюденията сочат към трета растяща черна дупка, BH3, с маса приблизително два милиона слънчеви маси.

Авторите са разгледали и други възможни източници на наблюдаваните сигнали – свръхнови, ударни вълни, потоци от вещество и масивни звезди.

Нито един от тези варианти обаче не успява да обясни съвкупността от данни толкова добре, колкото моделът с три черни дупки.

Как се е появила тази система?

Все още няма еднозначен отговор на този въпрос. Астрономите не изключват възможността наличието на черните дупки да е резултат от скорошно сливане на няколко галактики.

Ситуацията с третата черна дупка е по-неясна, тъй като тя е разположена много по-далеч от другите две.

Възможно е BH3 едва наскоро да е попаднала в J0148-4214 и да се приближава към центъра.

Друго възможно обяснение е, че по време на силно гравитационно взаимодействие първите две черни дупки са изтласкали третата по-далеч от центъра.

Според Юблер двете централни черни дупки вероятно ще се слеят с времето

Ако и третата се движи към центъра, тя впоследствие може да се обедини с новообразувания обект. Учените обаче не знаят със сигурност дали тези тела са гравитационно свързани помежду си.

Астрономите са оценили и дали бъдещи детектори за гравитационни вълни биха могли да регистрират подобни сливания.

Ако се приеме, че BH1 и BH2 се слеят след около 700 милиона години, а след това новият обект се обедини с BH3, такива събития биха могли да бъдат засечени например от космическата обсерватория LISA, чието извеждане в експлоатация е планирано за 2035 г.

За да проверят този сценарий, изследователите са използвали GWFish – инструмент, който оценява колко добре бъдещ детектор би могъл да регистрира конкретно гравитационно-вълново събитие.

При зададените параметри вероятността за откриване на сливането на BH1 и BH2 е 38,2 ± 4,2%, а на последващото сливане с BH3 – 81,8 ± 1,8%. Тези стойности обаче трябва да се възприемат единствено като резултат от прогнозен модел, а не като гаранция, че LISA ще „улови“ тези събития. Крайният резултат зависи от бъдещото движение и еволюция на черните дупки.

Преди откритието на екипа на Юблер астрономите не разполагаха с доказателства за съществуването на системи от три масивни черни дупки в една галактика в толкова ранна Вселена.

Предишни изследвания са откривали подобни системи на по-близки разстояния, включително в резултат на взаимодействие и сливане на галактики. Известен пример е галактиката NGC 6240 в съзвездието Змиеносец, разположена на 400 милиона светлинни години от Земята.

Според ново проучване, системите, състоящи се от три черни дупки, вероятно са били обичайно явление в младата Вселена.

Специалистите смятат, че ако тази хипотеза е вярна, взаимодействията и последвалите сливания в тези системи може да са изиграли ключова роля в бързото нарастване на черните дупки през първите милиарди години след Големия взрив.

Изследването е публикувано в научното списание Astronomy & Astrophysics.