«Маленькие красные точки» ранней Вселенной могут быть звёздами-чёрными дырами

Фото из открытых источников

Как будто молодая Вселенная подхватила корь. С тех пор, как обсерватория JWST НАСА начала всматриваться в далёкую Вселенную в 2022 году, она обнаружила множество «маленьких красных точек» — сотни, светящихся в течение первого миллиарда лет 13,8-миллиардной Вселенной, настолько маленьких и красных, что их существование не поддаётся традиционному объяснению. Лишь в последние несколько месяцев начала вырисовываться определённая картина. Астрономы утверждают, что эти маленькие красные точки могут быть совершенно новым типом объекта: колоссальным шаром яркого, раскалённого газа, размером больше Солнечной системы, питаемым не ядерным синтезом, а чёрной дырой.

«Думаю, мы приближаемся к ответу», — говорит Дженни Грин, астрофизик из Принстонского университета. Эти объекты, которые некоторые астрономы называют «чёрными дырами-звёздами», могут быть недостающим звеном в эволюции галактик и помочь объяснить быстрый рост сверхмассивных чёрных дыр, которые лежат в их основе. «Главный прорыв последних шести месяцев — это, по сути, осознание того, что мы можем отказаться от всех этих моделей, с которыми мы работали раньше», — говорит астроном Анна де Граафф из Института астрономии Общества Макса Планка.

Благодаря своему гигантскому 6,5-метровому зеркалу JWST является самым мощным телескопом, когда-либо запущенным в космос. Почти сразу же он начал находить гораздо больше крупных, зрелых галактик, чем ожидалось в молодой Вселенной. Сначала наблюдатели думали, что маленькие красные точки также могут быть зрелыми галактиками, которые, как правило, становятся краснее по мере старения звезд. Но JWST не смог разрешить точки в узнаваемую форму, что означало, что они, должно быть, были крошечными — менее 2% от диаметра Млечного Пути. «Это было загадкой… почему они были настолько пространственно компактными», — говорит Кейтлин Кейси из Техасского университета в Остине. Для объяснения их яркости потребовалась бы невероятно плотная упаковка звезд. «Я была взволнована», — говорит Кейси.

Компактный размер было бы легче объяснить, если бы свет исходил не от бесчисленных звёзд, а от сверхмассивной чёрной дыры. Эти объекты, масса которых в миллионы или миллиарды раз превышает массу Солнца, находятся в центре большинства галактик, иногда поглощая близлежащую материю и разогревая её так, что она ярко сияет. Но эти чёрные дыры также излучают в ультрафиолетовом (УФ) и рентгеновском диапазонах. Маленькие красные точки, с другой стороны, слабо излучают в УФ и, как бы усердно астрономы ни искали, совсем не излучают в рентгеновских лучах. «Очень быстро начал проявляться целый ряд особенностей, которые показали, что они на самом деле не похожи ни на один класс объектов, которые мы действительно знали», — говорит Рохан Найду из Массачусетского технологического института.

Многие думали, что пелена пыли может объяснить то, что они видят. Пыль может поглощать ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, скрывая их от наблюдателей, и переизлучать их на более красных и даже более длинных волнах, в среднем инфракрасном и миллиметровом диапазонах. Астрономы использовали среднеинфракрасный инструмент JWST (MIRI) и большую миллиметровую/субмиллиметровую антенную решетку Атакамы (ALMA) в Чили, чтобы искать это переизлучение с большей длиной волны. Но ALMA ничего не обнаружила в местах расположения 60 известных маленьких красных точек, как сообщила в мае группа под руководством Кейси. MIRI также не показала результатов. «Это оказалось очень важным», — говорит Грин. «Они не пыльные… то, что мы видим, на самом деле является светом, исходящим от этого объекта, чем бы он ни был».

В марте группы под руководством де Грааффа и Найду опубликовали результаты анализа света, испускаемого каждой из маленьких красных точек. В спектре излучения наблюдалось широкое оптическое излучение, типичное для звезды, с пиком в красной области, перемежаемое узкими линиями поглощения, характерными для водорода в звездной атмосфере, поглощающего определенные длины волн. Кроме того, в спектре наблюдались яркие линии излучения, характерные для перегретого газа вокруг активной черной дыры, которые уширяются из-за доплеровского смещения, обусловленного высокой скоростью движения частиц газа.

Итак, обе команды получили смелую новую картину: маленькая красная точка — это плотный газовый кокон, напоминающий звёздную атмосферу, окружающий активную чёрную дыру. Излучение чёрной дыры нагревает и поддерживает газовую оболочку, которая настолько плотна, что поглощает наиболее энергичное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение. «По сути, газ непрозрачен и поэтому излучает как звезда», — говорит Грин.

Для Митча Бегельмана, астрофизика-теоретика из Университета Колорадо в Боулдере, эти наблюдения – подтверждение его теории. Ранее в этом месяце он и его коллега опубликовали на arXiv препринт, возрождающий сценарий образования гипотетических «квазизвёзд», предложенный им и другими учёными 20 лет назад.

Они подсчитали, что первое поколение звёзд могло достичь колоссальных размеров в ранней Вселенной, состоявшей почти полностью из водорода, исходного материала звёзд. Когда у гигантской звезды закончилось топливо, утверждали они, её ядро коллапсировало в чёрную дыру, но внешняя оболочка из водорода была настолько плотной, что пережила взрыв, окружив новорождённую чёрную дыру. Пока чёрная дыра поглощала свою газовую оболочку, вся система светилась как квазизвезда, превосходящая по размерам Солнечную систему. «Вот что делает оболочка квазизвёзды: она принудительно питает чёрную дыру, вталкивая в неё материю», — говорит Бегельман.

Учитывая, насколько часто маленькие красные точки встречаются в ранней Вселенной, теоретики начинают задаваться вопросом, является ли эта фаза гигантского газового шара неотъемлемой частью роста чёрных дыр и эволюции галактик. «Вероятно, мы наблюдаем своего рода новую фазу роста чёрных дыр, о которой раньше не знали», — говорит де Граафф. Грин соглашается: «Я вполне могу представить, что Млечный Путь был маленькой красной точкой, которая зародила свою чёрную дыру, а затем просто вела себя как ни в чём не бывало до конца космических времён».

Огромное расстояние до точек и их малый размер крайне затрудняют получение более точной картины. «Мы практически ничего не знаем об их родительских галактиках, потому что не можем их видеть», — говорит Кейси.

Ситуация может измениться с сообщением в этом месяце о нескольких объектах, расположенных гораздо ближе к Земле и похожих на маленькие красные точки. Сяоцзин Линь из Университета Цинхуа и ее коллеги обнаружили несколько хороших кандидатов всего в 2,5 миллиардах световых лет от нас в ходе сканирования данных, полученных в ходе более ранней наблюдательной кампании Sloan Digital Sky Survey. Один из источников был сфотографирован космическим телескопом «Хаббл» несколько лет назад. «Мы действительно видим там компактную, относительно тусклую галактику», — говорит Линь. Недавно ее команде предоставили больше времени на «Хаббле» для более детального изучения. Они надеются увидеть, «есть ли много взаимодействий, активности, оттока, притока, чего бы это ни происходило», что могло бы пролить свет на работу черной дыры, говорит член группы Сяохуэй Фань из Университета Аризоны.

Если красные точки действительно окажутся чёрными дырами, это будет именно тот прорыв, которого ждут от JWST, и именно такое открытие, ради которого так живут астрономы. Разгадка тайны маленьких красных точек «была самым увлекательным занятием в моей карьере», — говорит Грин.