Загадочные «красные точки» в ранней Вселенной могут быть атмосферами черных дыр

Фото из открытых источников

Крошечные красные объекты, обнаруженные космическим телескопом имени Джеймса Уэбба (JWST) НАСА, предлагают ученым новые сведения о происхождении галактик во Вселенной и могут представлять собой совершенно новый класс небесных объектов: черную дыру, поглощающую огромное количество материи и извергающую свет.

Используя первые наборы данных, опубликованные телескопом в 2022 году, международная группа учёных, включая исследователей из Университета штата Пенсильвания, обнаружила загадочные «маленькие красные точки». Исследователи предположили, что эти объекты могут быть галактиками, столь же зрелыми, как наш нынешний Млечный Путь, возраст которого составляет примерно 13,6 миллиарда лет, то есть всего через 500–700 миллионов лет после Большого взрыва.

 Первоначально предполагалось, что эти объекты, которые группа ученых неофициально окрестила «разрушителями вселенной», являются галактиками, гораздо более древними, чем можно было ожидать в зарождающейся Вселенной. Это ставит под сомнение то, что ученые ранее знали о формировании галактик.

В статье, опубликованной в журнале  Astronomy & Astrophysics, международная группа астрономов и физиков, включая ученых из Университета штата Пенсильвания, предполагает, что эти точки могут быть не галактиками, а совершенно новым типом объекта: черной дырой-звездой.

По их словам, их анализ показывает, что крошечные точки света могут быть гигантскими сферами горячего газа, которые настолько плотны, что выглядят как атмосферы типичных звезд, работающих на термоядерном синтезе. Однако вместо термоядерного синтеза их питают сверхмассивные черные дыры в их центре, которые быстро втягивают материю, преобразуя ее в энергию и испуская свет.  

«По сути, мы рассмотрели достаточное количество красных точек, пока не нашли одну с такой мощной атмосферой, что её нельзя было отнести к типичным звёздам, которые мы ожидаем от галактики», — сказал соавтор исследования Джоэл Леха из Университета штата Пенсильвания. «Это действительно элегантный ответ, потому что мы думали, что это крошечная галактика, полная множества отдельных холодных звёзд, но на самом деле это, по сути, одна гигантская, очень холодная звезда».

Холодные звезды излучают мало света из-за их низких температур по сравнению с обычными звездами, объяснил Леха. Большинство звезд во Вселенной являются маломассивными, более холодными звездами, но их, как правило, труднее увидеть, поскольку они затмеваются более редкими, более яркими массивными звездами. Астрономы идентифицируют холодные звезды по их свечению, которое в основном находится в красном оптическом или ближнем инфракрасном спектре, длинах волн света, которые больше не видны. В то время как газ вокруг сверхмассивных черных дыр обычно очень горячий, миллионы градусов Цельсия, в свете этих черных дыр «красных точек» вместо этого преобладает очень холодный газ, говорят исследователи, аналогично атмосферам маломассивных холодных звезд, основываясь на длинах волн света, которые они испускали.

JWST, самый мощный телескоп в космосе, был разработан для изучения зарождения космоса с помощью инфракрасных датчиков, способных регистрировать свет, излучаемый древнейшими звёздами и галактиками. По сути, телескоп позволяет учёным заглянуть примерно на 13,5 миллиарда лет назад, к началу существования Вселенной в её нынешнем виде, пояснил Леха.

С момента включения телескопа исследователи по всему миру начали замечать «маленькие красные точки» — объекты, которые выглядели гораздо более массивными, чем предсказывали модели галактик. По словам Лехи, сначала он и его коллеги приняли эти объекты за зрелые галактики, которые, как правило, краснеют по мере старения звёзд внутри них. Но эти объекты были слишком яркими, чтобы объяснить их существование — для этого нужно было бы, чтобы звёзды были упакованы в галактиках с невероятной плотностью.

«Ночное небо такой галактики было бы ослепительно ярким», — сказал соавтор исследования Бинцзе Ван. «Если эта интерпретация верна, это означает, что звёзды образовались в результате необычных процессов, которые никогда ранее не наблюдались».

Чтобы лучше понять эту загадку, исследователям требовались спектры – тип данных, которые могли бы дать информацию о количестве света, излучаемого объектами на разных длинах волн. С января по декабрь 2024 года астрономы потратили почти 60 часов телескопа Уэбба, чтобы получить спектры в общей сложности 4500 далёких галактик. Это один из самых обширных наборов спектроскопических данных, когда-либо полученных с помощью телескопа.

В июле 2024 года группа обнаружила объект со спектром, указывающим на огромную массу, что делает его самым экстремальным случаем такого раннего и крупного объекта. Астрономы прозвали этот объект «Скала», назвав его наиболее перспективным для исследования природы этих «маленьких красных точек».

«Экстремальные свойства Скалы заставили нас вернуться к чертежной доске и разработать совершенно новые модели», — заявила соавтор исследования Анна де Граафф из Института астрономии Общества Макса Планка и статьи.

Объект был настолько далёким, что его свету потребовалось примерно 11,9 миллиарда лет, чтобы достичь Земли. Спектральный анализ этого света показал, что на самом деле это была сверхмассивная чёрная дыра, втягивающая в себя окружающее с такой скоростью, что она окуталась огненным шаром из водорода. Свет, замеченный Лехой и его коллегами, исходил не от плотных звёздных скоплений, а от одного гигантского объекта.

Леха объяснил, что чёрные дыры находятся в центре большинства галактик. В некоторых случаях эти чёрные дыры в миллионы или даже миллиарды раз массивнее Солнца нашей Солнечной системы, притягивая к себе близлежащую материю с такой силой, что она преобразуется в энергию и излучает свет.

«Никто никогда толком не знал, почему и откуда берутся эти гигантские чёрные дыры в центрах галактик», — сказал Леха. «Эти звёзды, похожие на чёрные дыры, могут быть первой стадией формирования чёрных дыр, которые мы наблюдаем в галактиках сегодня — сверхмассивных чёрных дыр в их начальной стадии».

Он добавил, что JWST уже обнаружил признаки существования массивных чёрных дыр в ранней Вселенной. Эти новые звёздные объекты, представляющие собой чёрные дыры, которые, по сути, представляют собой звёзды, создающие массу с турбонаддувом, могут помочь объяснить раннюю эволюцию Вселенной и стать ценным дополнением к существующим моделям. Команда планирует дальнейшие исследования для проверки этой гипотезы, изучая плотность газа и интенсивность этих ранних чёрных дыр, сказал Леха.

Конечно, таинственные «маленькие красные точки» находятся на большом расстоянии как во времени, так и в пространстве, и их небольшой размер особенно затрудняет получение четкого изображения.

«Это лучшая из имеющихся у нас идей и, по сути, первая, которая соответствует почти всем данным, поэтому теперь нам нужно её доработать», — сказал Леха. «Ошибаться — это нормально. Вселенная гораздо страннее, чем мы можем себе представить, и всё, что мы можем сделать, — это следовать её подсказкам. Нас ещё ждут большие сюрпризы».