Космический телескоп имени Джеймса Уэбба обнаружил одинокую чёрную дыру в ранней Вселенной, масса которой сопоставима с массой 50 миллионов солнц. Это важное открытие ставит под сомнение теории о молодом космосе. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Огромная черная дыра, которую можно увидеть трижды на этом снимке JWST, загадочным образом появляется в ранней Вселенной без какой-либо галактики вокруг нее.
Введение
В ранней Вселенной обнаружена чёрная дыра, не похожая ни на одну из наблюдавшихся ранее. Она огромна и, по-видимому, существует практически сама по себе, в окружении нескольких звёзд. Этот объект, который может представлять собой совершенно новый класс огромных «голых» чёрных дыр, переворачивает устоявшиеся представления о молодой Вселенной.
«Это совершенно зашкаливает», — сказал Роберто Майолино, астрофизик из Кембриджского университета, который помог раскрыть природу объекта в препринте, опубликованном 29 августа. «Это невероятно интересно. Это крайне познавательно».
«Это расширяет границы того, что, по нашему мнению, может быть правдой, что, по нашему мнению, может произойти», — сказал Дейл Кочевски, астроном из колледжа Колби, который не принимал участия в новом исследовании.
Астрономы наблюдали за голой чёрной дырой с помощью космического телескопа имени Джеймса Уэбба (JWST) — мегаинструмента, созданного NASA и его партнёрами, отчасти для изучения процесса формирования галактик в течение первого миллиарда лет существования Вселенной. Эта новая чёрная дыра, масса которой равна 50 миллионам солнц и которая получила обозначение QSO1, противоречит старому, предварительному представлению о процессе формирования галактик, который начался не с чёрных дыр. Считалось, что чёрные дыры появляются только после того, как звёзды галактики гравитационно коллапсируют в чёрные дыры, которые затем сливаются и растут. Но Майолино и его коллеги описали одинокого левиафана, родительская галактика которого не видна.
Вопрос теперь в том, как возникла эта черная дыра.
Самая захватывающая — и спорная — гипотеза восходит к предположению британского физика Стивена Хокинга, выдвинутому в 1971 году: чёрные дыры возникли в первичном «бульоне» Большого взрыва. В таком случае объект находился бы в темноте с первых мгновений Вселенной, ожидая, когда звёзды и галактики осветят его.
QSO1 — один из сотен похожих объектов, прозванных «маленькими красными точками», которые JWST обнаружил за первые несколько лет своих наблюдений за глубочайшими глубинами времени. Астрофизики пока не могут сказать, являются ли все эти точки чёрными дырами или нет, и в целом они всё ещё не могут понять хаотичное детство Вселенной. Но снимки телескопа указывают на бурный молодой космос, где большие чёрные дыры и галактики формировались как совместно, так и независимо друг от друга, или, возможно, даже на Вселенную, где чёрные дыры были одними из первых крупных структур — тёмные пузырьки тапиоки в однородном космическом чае.
QSO1 и остальные маленькие красные точки «говорят нам, что мы ничего не знаем», — сказал Джон Риган, теоретик из Университета Мейнута в Ирландии. «Это было действительно захватывающе и очень волнующе для нашей области».
Бледно-красные точки
Лукас Фуртак, астроном из Университета Бен-Гуриона в Израиле, понял, что QSO1 — нечто необычное, с того самого момента, как увидел его — или с того момента, как увидел три его отражения, скрывающиеся среди разрозненных белых галактик на снимке, полученном JWST в 2023 году. «Это что-то, что сразу бросается в глаза», — сказал Фуртак по Zoom, нажав на три почти незаметных красных точки. «Здесь три красных точечных источника, здесь и вот этот».
На этом изображении удачное расположение галактик и тёмной материи преломило лучи света, идущие от фоновых объектов, подобно стеклянной линзе; эта «гравитационная линза» позволяет увидеть объекты, расположенные глубже в ранней Вселенной, чем телескоп мог бы увидеть без неё. Линза увеличивает и растягивает вещество за собой, иногда создавая несколько его изображений. Фуртак картировал бананообразные размытые следы галактик, которые линза спроецировала в разные места, когда заметил три красные точки QSO1.
Точки привлекли его внимание, потому что не проявляли никаких признаков растяжения. Он знал, что единственное, что выглядит как маленькая круглая точка, даже будучи растянутым, — это ещё более маленькая и круглая точка. Это не галактика, решил он; это, должно быть, чёрная дыра, скопление массы настолько плотной, что её гравитация создаёт вокруг неё неизбежную зону пространства.
В течение следующих шести месяцев Фуртак и его коллеги поручили JWST наблюдать за каждой из трёх красных точек по 40 часов, чтобы составить спектральную перепись цветов света, исходящего от объекта. В результате исследования был сделан вывод о том, что QSO1, скорее всего, представляет собой светящуюся чёрную дыру, содержащую массу в десятки миллионов солнц, занимающую область размером не более 100 световых лет, как это было, когда Вселенной было всего 750 миллионов лет. (Сегодня возраст космоса приближается к 14 миллиардам лет.)
Космический телескоп имени Джеймса Уэбба, запущенный в 2021 году, обнаружил сотни странных черных дыр и галактик в ранней Вселенной, открыв хаотичный первый миллиард лет космической истории.
QSO1 был одной из первых обнаруженных маленьких красных точек. Сейчас их более 300, и уже два года ведутся оживлённые споры об их природе. У них есть некоторые классические черты светящихся чёрных дыр, но нет других. Оценки их масс (до сих пор) были довольно косвенными. В результате некоторые астрофизики утверждают — как это сделала одна группа, проанализировавшая более 100 маленьких красных точек в августе, — что эти объекты на самом деле просто странно выглядящие галактики, а не чёрные дыры.
«Вся эта область буквально одержима ими», — сказал Кочевски. «Очень редко встречаются вещи, которые невозможно объяснить».
Увеличение масштаба
В декабре 2024 года Майолино вместе с Ханной Юблер, ныне работающей в Институте внеземной физики Общества Макса Планка, и другими сотрудниками провели ещё 10 часов наблюдения телескопа JWST над QSO1. Они увеличивали изображение точки, пока она не превратилась в пикселизированное пятно, и измеряли специфические цвета, исходящие от каждого пикселя. Используя эти спектры, они рассчитали скорость, с которой светящееся в каждом пикселе вещество двигалось к нам или от нас. Учёные обнаружили, что яркое вещество — вероятно, горячий газ — закручивалось в яростном вихре, что подтвердило предварительные выводы Фуртака.
Их более детальное изучение, подробно изложенное в двух препринтах, опубликованных в мае и августе, окончательно раскрыло идентичность QSO1.
Одной из подсказок была его масса. Реконструировав вихрь, команда напрямую измерила массу объекта, вокруг которого он вращался: в 50 миллионов раз массивнее нашего Солнца. Это совпало с данными Фуртака и его коллег. (Один только этот результат знаменует собой большой шаг вперёд: он предполагает, что более простой метод косвенного измерения массы, основанный на полном спектре объекта, применим для молодых чёрных дыр, что ранее было предметом споров.)
На данный момент обнаружено более 300 «маленьких красных точек» — загадочных объектов в ранней Вселенной, которые в некоторых отношениях похожи на большие светящиеся черные дыры, а в других — на необычные галактики.
Более того, группа не обнаружила никаких свидетельств существования звёздной галактики вокруг QSO1. Газ вращается вокруг центрального пикселя так же, как Земля вращается вокруг Солнца, что указывает на то, что масса сжата в точку. Команда подсчитала, что чёрная дыра составляет как минимум две трети массы QSO1, а оставшаяся треть — это газ и, возможно, небольшое количество звёзд. Риган, не принимавший участия в исследовании, считает, что они слишком консервативны, и что QSO1 может на 90% состоять из чёрной дыры. «Мы никогда раньше не видели ничего подобного», — сказал он.
Наконец, попиксельные спектры также показали, что газ, вращающийся вокруг чёрной дыры, по сути, состоит из чистого водорода — элемента, возникшего ещё во времена Большого взрыва. Звёзды светятся, синтезируя водород в более тяжёлые атомы, и когда звёзды взрываются, эти тяжёлые элементы рассеиваются повсюду. По-видимому, QSO1 достиг своей нынешней формы ещё до того, как многие соседние звёзды появились и умерли.
«Наиболее правдоподобным объяснением, по-видимому, является то, что черная дыра возникла до возникновения галактики», — сказала Марта Волонтери, теоретик из Парижского института астрофизики, которая помогала с новым анализом QSO1.
Скрытые истоки
Теперь важнейшей задачей для астрофизиков станет выяснение того, как образовался QSO1 и подобные ему объекты, и как они превратились в сверхмассивные чёрные дыры, находящиеся сегодня в центрах звёздных галактик. Сверхмассивные чёрные дыры, масса которых может достигать миллиардов солнечных масс, будут связывать галактики к концу первого миллиарда лет существования Вселенной.
Сверхмассивные чёрные дыры давно беспокоят астрофизиков. Им известно, что галактики могут образовывать чёрные дыры, когда их крупные звёзды сгорают и умирают. Эти звёздные трупы сливаются и питаются газом и пылью, разрастаясь. Принято считать, что этот рост в конечном итоге приводит к образованию одной гигантской чёрной дыры в центре галактики. Проблема в том, что всё это питание и слияние требует времени, и астрофизикам трудно представить, чтобы это происходило достаточно быстро, чтобы привести к появлению сверхмассивных чёрных дыр, которые наблюдаются во Вселенной на отметке в миллиард лет. Поэтому теоретики потратили десятилетия, разрабатывая множество альтернативных теорий об их образовании.
Лукас Фуртак, астроном из Университета Бен-Гуриона в Израиле, сразу же заметил QSO1 в поле ярких белых галактик.
Теперь QSO1, не имеющий под собой никакой галактики, показывает, что действительно должен быть другой путь.
Итак, как Вселенная могла напрямую создавать гигантские чёрные дыры? Группа Майолино поддерживает предположение Хокинга. Большой взрыв создал зарождающуюся Вселенную, которая в одних местах была плотнее, чем в других. При достаточной плотности она могла мгновенно схлопнуться в чёрную дыру, которая затем росла, поглощая окружающую её материю. Спустя сотни миллионов лет некоторые из этих «первичных» чёрных дыр могли достичь гигантских размеров, выглядя очень похожей на QSO1.
«Это самое правдоподобное объяснение, которое я вижу», — сказал Волонтери. «Но я уверен, что в ближайшие полгода тысячи людей выдвинут другие теории».
Им не придётся ждать полгода. Ещё до открытия QSO1 Приямвада Натараджан, астрофизик-теоретик из Йельского университета, и его коллеги опубликовали две непервичные теории, которые могли бы объяснить происхождение QSO1.
Существует ряд теорий, объясняющих загадочное происхождение QSO1. Приямвада Натараджан, теоретик из Йельского университета, помог разработать несколько из них.
Первая теория предполагает, что Большой взрыв породил плотные пятна, которые не схлопнулись сразу. Вместо этого они эволюционировали в газовые облака в течение сотен тысяч лет. Остаточное излучение Большого взрыва предотвратило остывание этих облаков и их распад на звёзды, позволив им стать достаточно массивными, чтобы схлопнуться непосредственно в чёрные дыры. В статье, опубликованной в июне, исследователи под руководством Венцера Циня из Нью-Йоркского университета назвали эти чуть позже расцветшие гиганты «не совсем первичными» чёрными дырами.
Или, возможно, QSO1 всё-таки пришёл из галактики, которая быстро сформировалась, образовала большую чёрную дыру и исчезла. В 2014 году Натараджан и Таль Александер из Института Вейцмана в Израиле описали сценарий, в котором одна звезда в особенно звёздном регионе коллапсирует в большую чёрную дыру, которая затем разлетается, словно Pac-Man, поглощая газ и раздуваясь до огромных размеров. Остальные ранние звёзды затем быстро гаснут, оставляя гигантскую чёрную дыру на произвол судьбы.
Ни одна из этих версий происхождения не соответствует полностью описанию QSO1, хотя каждая из них возможна. Единственный сценарий, который фактически исключен, — это классический сценарий звёзд, коллапсирующих, сливающихся и питающихся вращающимся газовым диском.
QSO1 — не первая необычная чёрная дыра, обнаруженная JWST, хотя и самая скромная. Другая поразительная находка находится в галактике UHZ1, которая образовалась менее чем через полмиллиарда лет после Большого взрыва. Объединив наблюдения JWST с рентгеновским излучением, полученным от объекта рентгеновской обсерваторией «Чандра» в 2022 году, Натараджан и его коллеги определили, что UHZ1 также представляет собой скорее чёрную дыру, чем окружающую галактику. Это и ряд других особенностей привели группу к выводу, что чёрная дыра UHZ1 образовалась, когда газовое облако, в основном минуя стадию звезды, сразу же коллапсировало — теория, которая может быть применима и к QSO1.
Проблема — и одновременно волнение — для астрономов заключается в том, что они впервые сталкиваются с новой эпохой космической истории, и разобраться в происходящем оказывается непросто. Риган сравнивает эту ситуацию с разработкой целой теории человечества, основанной на взрослых и подростковых галактиках — молодых и зрелых, которые мы могли видеть до запуска JWST. Теперь наблюдение за маленькими красными точками равносильно открытию малышей — новых неряшливых существ, которые исследователям сложно интерпретировать, основываясь на том, что они видели раньше. «Это совсем другая атмосфера», — сказал он. «Они носятся как сумасшедшие».
Примечание редактора : Приямвада Натараджан является членом научно-консультативного совета журнала Quanta Magazine. Она дала интервью для этого материала, но не принимала никакого иного участия в его создании.
Источник: www.quantamagazine.org
