Ранняя Вселенная изобиловала черными дырами внутри звезд, убедились ученые
Похоже, что ранняя Вселенная была усеяна гигантскими звездоподобными газовыми сферами с черными дырами в центре. Это открытие стало неожиданностью для ученых и может разрешить одну из самых больших загадок, возникших после открытий телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST).
Когда JWST начал наблюдать за первым миллиардом лет жизни Вселенной, астрономы обнаружили группу объектов, которые выглядели как чрезвычайно компактные, красные и очень яркие галактики, непохожие ни на что в нашей локальной Вселенной. Наиболее популярные объяснения природы этих так называемых маленьких красных точек (little red dots — LRD) сводились к тому, что это либо сверхмассивные черные дыры с окружающим их пылевым диском, либо галактики, невероятно плотно заполненные звездами. Однако ни одна из этих гипотез не могла полностью объяснить свет, регистрируемый JWST.
Черные дыры внутри квазизвезд
В начале этого года астрономы предложили альтернативу: LRD — это плотные газовые сферы с черной дырой в центре, так называемые квазизвезды, или звезды-черные дыры.
«Когда вещество падает в черную дыру, высвобождается огромное количество гравитационной энергии, и это может заставить весь окружающий ее газовый шар светиться, как звезда», — объясняет астрофизик Анна де Граафф из Гарвардского университета.
Хотя эта энергия, в отличие от обычных звезд, образуется не в результате ядерного синтеза, конечный эффект получается схожим: светящийся шар плотного газа, только в несравненно больших масштабах — в миллиарды раз ярче нашего Солнца.
Некоторые из наблюдаемых LRD хорошо укладывались в эту интерпретацию, но она все еще оставалась спорной. Де Граафф и ее коллеги проанализировали самую обширную на сегодняшний день выборку красных точек, собранную с начала работы JWST, — больше сотни, — результатом чего поделились в статье для Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. По их мнению, природа LRD лучше всего объясняется именно квазизвездами (звездами-черными дырами).
«Название "звезда-черная дыра", безусловно, все еще вызывает споры, но я думаю, что в научном сообществе уже сложился определенный консенсус: мы наблюдаем аккрецирующую черную дыру, погруженную в плотный газ», — говорит де Граафф.
Изучив спектр LRD, ученые обнаружили, что полученные картины лучше всего соответствуют излучению абсолютно черного тела. Именно так выглядит свет от звезд, в отличие от более сложных и «зазубренных» спектров галактик, складывающихся из излучения звезд, пыли, газа и центральной черной дыры.
«Модель звезды-черной дыры существовала уже некоторое время, но считалась чем-то очень странным и маргинальным. Однако теперь оказывается, что она действительно работает и лучше всего объясняет наблюдения», — считает астроном Джиллиан Белловари из Американского музея естественной истории в Нью-Йорке.
«Когда вы применяете модель звезды-черной дыры, все становится очень просто. Это простая концепция, но она действительно очень хорошо объясняет наблюдения, не требуя никакой экзотической физики», — добавляет Энтони Тейлор из Техасского университета в Остине.
Доказать непросто
В сентябре де Граафф и ее коллеги также обнаружили особую LRD, в спектре которой наблюдался чрезвычайно резкий провал на определенной частоте. Они дали ей прозвище Cliff — «обрыв». «Мы увидели в спектре такие особенности, которые действительно нельзя было объяснить ни одной из существующих моделей, — вспоминает исследовательница. — В такой ситуации можно впервые уверенно заявить: нам придется отказаться от обеих рассматриваемых ранее картин. Нужно искать что-то другое».
Хотя многие астрономы теперь согласны, что LRD ведут себя как гигантские звезды, доказать, что их питает именно черная дыра, будет непросто, признает де Граафф.
«Центр этого объекта погружен в очень, очень плотную, оптически толстую оболочку. То, что находится внутри, скрыто от нас тем, что снаружи. Мы полагаем, что это черные дыры, только исходя из невероятной светимости этих объектов», — объясняет она.
Один из способов доказать это — изучить изменения светимости LRD во времени, чтобы сравнить их с известными черными дырами, предлагает Цзи Сихань из Кембриджского университета.
«У черных дыр мы видим изменение яркости на относительно коротких временных масштабах — месяцы или даже дни. Но у этих маленьких красных точек в большинстве случаев подобная переменность почти не наблюдается», — отмечает он.
Искать признаки долговременной переменности у LRD сложно, так как время наблюдений JWST ограничено, но — физика нам в помощь. Совсем была обнаружена маленькая красная точка, свет от которой искривлен из-за эффекта гравитационного линзирования. Массивная галактика, сыгравшая роль линзы, создала четыре изображения исходной LRD, и поскольку свет для каждого из них прошел разный путь, эти изображения эквивалентны снимкам одного объекта, сделанным с интервалом в 130 лет.
Идея использовать гравитационную линзу для изучения LRD в разные моменты времени остроумна, хотя у наблюдаемых вариаций светимости могут быть и другие объяснения, считает Белловари: «Не уверена, что данных достаточно, чтобы действительно подтвердить эти выводы. Я не говорю, что они ошибочны, но считаю, что эти изменения можно объяснить и другими причинами».
Что дальше
Если окажется, что эти объекты — действительно квазизвезды, потребуются совершенно новые модели, объясняющие, как они формировались, и чем в итоге стали черные дыры, которые были внутри — ведь ничего подобного мы не видим в нашей локальной Вселенной, предупреждает де Граафф.
«По сути, это может быть новой фазой роста или частью истории роста сверхмассивных черных дыр. Проходят ли они через один такой этап, какова его продолжительность и насколько значителен его вклад в конечную массу черной дыры — все это пока остается совершенно неясным», — заключила она.
