Древняя чёрная дыра проливает новый свет на «Малые красные точки» телескопа Уэбба

Международная команда астрономов, используя космический телескоп Джеймса Уэбба (совместный проект НАСА, ЕКА и Канадского космического агентства), впервые напрямую измерила сверхмассивную чёрную дыру, относящуюся к ранней Вселенной. Две недавно опубликованные работы, исследующие эту чёрную дыру, предоставляют новые ценные данные о природе неуловимых «Малых красных точек» (МКТ), которые Уэбб обнаружил в начале своей научной миссии.

Роберто Майолино из Кембриджского университета, соавтор обоих исследований, назвал полученный результат «феноменальным». Он подчеркнул, что это первое прямое измерение массы чёрной дыры в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва, и оно согласуется с предыдущими косвенными измерениями.

Исследуемая МКТ, известная как Abell2744-QSO1 (QSO1), образовалась всего через 700 миллионов лет после Большого взрыва. Её свет путешествовал по Вселенной 13 миллиардов лет, прежде чем достиг инфракрасных датчиков Уэбба. Сам объект имеет размеры около 1300 световых лет в поперечнике, что составляет лишь малую долю от размера галактики Млечный Путь.

С точки зрения Земли, QSO1 находится за скоплением галактик Abell 2744, также известным как скопление Пандоры. Это скопление действует как гравитационная линза – явление, при котором свет изгибается, проходя вблизи массивных объектов. Этот эффект не только увеличивает Малую красную точку, но и проецирует её изображение трижды в разных положениях.

С помощью гравитационного линзирования команда использовала блок интегрального поля (IFU) инструмента NIRSpec (Ближний инфракрасный спектрограф) телескопа Уэбба для картирования вращения газа внутри МКТ. Карта выявила кеплеровское вращение, при котором газ вращается вокруг центральной точки.

Игнас Юоджбалис из Флорентийского университета, один из ведущих авторов одного из исследований, объяснил важность открытия: «Это важно, потому что говорит нам о том, что большая часть массы QSO1 сконцентрирована в чёрной дыре в центре». Он добавил, что если бы масса была более распределена, как это было бы при наличии множества звёзд, газ не демонстрировал бы такого идеального кеплеровского вращения.

Используя данные о вращении, команда рассчитала массу чёрной дыры, которая составила 50 миллионов солнечных масс, или две трети от общей массы МКТ. Тем временем, другое исследование, возглавляемое Майолино, проанализировало материал вокруг чёрной дыры и обнаружило, что он состоит почти полностью из водорода и гелия.

Оба исследования ставят вопросы о происхождении чёрной дыры. Чрезвычайно низкая металличность МКТ – показатель присутствия элементов, отличных от водорода и гелия – и доля массы, приходящаяся на чёрную дыру, предполагают, что обычные механизмы образования чёрных дыр не могли привести к появлению исследуемого объекта. Вместо этого, чёрная дыра, возможно, возникла не внутри МКТ.

Команда считает, что только два сценария могут объяснить сверхмассивную чёрную дыру внутри QSO1. Во-первых, это могла быть первичная чёрная дыра, которая образовалась бы в течение нескольких секунд после Большого взрыва. Во-вторых, чёрная дыра могла образоваться из коллапсирующего девственного облака газа, в сценарии, известном как чёрная дыра прямого коллапса.

Юоджбалис заявил: «Похоже, мы нашли чёрную дыру, у которой нет существенной галактики-хозяина и которая предшествовала звёздным процессам». Он выразил воодушевление, отметив, что это является свидетельством существования первичных чёрных дыр или чёрных дыр прямого коллапса, которые ранее были лишь теоретизированы, но не подтверждены.

С момента их открытия в 2024 году астрономы изучали различные сценарии для объяснения МКТ. Одно из возможных объяснений – это «звезда из чёрной дыры», теоретический тип звездообразного объекта, состоящего из сверхмассивной чёрной дыры, окружённой толстой газовой оболочкой. Вместо того чтобы питаться ядерным синтезом, как обычные звёзды, газовая оболочка светится за счёт энергии, высвобождаемой центральной чёрной дырой при поглощении (аккреции) материала.

Исследование, опубликованное в марте, представило возможные доказательства сценария «звезды из чёрной дыры», используя наблюдения с различных обсерваторий, включая Уэбба, Хаббла и рентгеновскую обсерваторию Чандра НАСА. Телескопы исследовали астрономический объект, излучающий сильный рентгеновский сигнал. Хотя обычные МКТ не производят рентгеновского излучения, другие свойства этого объекта демонстрируют сильное сходство с МКТ.

Хотя внешние слои «звезды из чёрной дыры» были бы достаточно плотными, чтобы блокировать рентгеновский сигнал, производимый сверхмассивной чёрной дырой в её центре, чёрная дыра могла бы в конечном итоге поглотить достаточно окружающего газа, чтобы позволить рентгеновским лучам выходить наружу. В этом сценарии, рентгеновская точка была бы МКТ на заключительных стадиях её эволюции.

В совокупности все эти исследования рисуют всё более чёткую картину природы «Малых красных точек» телескопа Уэбба. Более того, новые исследования, сфокусированные на QSO1, также предоставляют новые данные о происхождении некоторых из самых массивных объектов Вселенной.

Майолино заключил: «Это замечательное открытие. Оно меняет парадигму, полностью пересматривая классические сценарии формирования и роста чёрных дыр». Это подчёркивает глубокое влияние исследования на наше понимание космической эволюции.