В ранних галактиках было гораздо больше активных черных дыр, чем предполагалось

Фото из открытых источников

Новое исследование показало, что космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) выявляет гораздо больше тусклых черных дыр, питающих раннюю Вселенную, чем ожидали астрономы, и при этом не требует, чтобы все они были действительно гигантскими. Этот результат переосмысливает одну из самых больших неожиданностей, связанных с телескопом, как проблему численности и активности, а не просто неуправляемого размера. Результаты исследования опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Глубокие обзоры, проводимые телескопом JWST, продолжают обнаруживать тусклые галактические ядра, которые питают черные дыры с такой скоростью, что старые карты неба этого не замечали.

На основе этих данных Дэниел Робертс из Саутгемптонского университета показал, что для описания неба могут быть предложены два объяснения. Его наиболее подходящий компромиссный вариант не требовал, чтобы каждый слабый источник скрывал огромную черную дыру в небольшой галактике. Такое разделение определило дальнейшую направленность исследования, поскольку одних лишь количественных показателей недостаточно для того, чтобы отличить размер от активности.

В основе этой загадки лежал рабочий цикл — доля черных дыр, активированных в данный момент времени. Когда команда сопоставила количество галактик с наблюдаемой яркостью, выяснилось, что для очень тяжелых черных дыр достаточно активности всего около 8%.

Для более умеренных черных дыр требовалось гораздо более активное небо, примерно 50% из которых были активны, однако такой темп все еще казался физически возможным. Второй вариант важен, потому что он позволяет избежать превращения практически каждого слабого источника в экстремальное отклонение еще до начала других проверок.

Близлежащие галактики подчиняются масштабирующему соотношению — приблизительному правилу, связывающему массу черной дыры с окружающими звездами. Если слишком сильно превысить это правило для новых объектов JWST, ранняя Вселенная очень быстро заполнится массой чёрных дыр.

Робертс и его коллеги обнаружили, что небольшое смещение показало лучшие результаты в нескольких тестах, чем утверждения о чрезмерно больших черных дырах. Это не сняло напряжение, но сузило круг споров до того, что астрономия может реально проверить.

Астрономы сравнивают эти объекты с помощью функции светимости — показателя, отслеживающего, сколько объектов наблюдается при каждой яркости. В некоторых областях обзора телескопа JWST этот показатель яркости увеличился примерно в десять раз по сравнению с более ранними оценками.

Поскольку более яркие источники легче обнаружить, основная нагрузка в этих дебатах приходится на слабые источники. Если эти слабые данные подтвердятся, то черные дыры в молодых галактиках были достаточно распространены, чтобы пересмотреть более старые модели распределения галактик.

Ещё одна неопределённость возникла из-за того, как вообще были определены веса этих далёких чёрных дыр. Многие из спорных объектов относятся к категории маленьких красных точек — компактных источников красного цвета на ранних изображениях, полученных с помощью телескопа JWST.

Недавние спектральные исследования показывают, что некоторые из этих точек скрывают более мелкие черные дыры внутри плотных ионизированных коконов. Эта возможность не решает всех проблем, но ослабляет идею о том, что все слабые источники JWST имеют огромные размеры.

Команда также проверила, может ли нынешняя популяция черных дыр естественным образом вырасти из тех ранних данных, полученных с помощью телескопа JWST. Для этого они использовали аргумент Солтана — способ преобразования света черной дыры в накопленную массу, следуя работам Солтана.  

Чрезвычайно большие массы черных дыр быстро превысили ту массу, которую Вселенная должна была бы содержать к более поздним временам. Еще до проведения других проверок это несоответствие сместило результаты исследования в сторону от наиболее завышенных версий ранней популяции.

Чтобы проследить дальнейшее развитие событий, исследователи применили уравнение непрерывности — математический метод, отслеживающий рост численности населения с течением времени. Модели, начинавшиеся с черных дыр лишь немного больших размеров, оказались ближе к современным данным переписи населения, чем модели, начинавшиеся с гигантских черных дыр.

Слишком высокое начальное значение привело к странной двухэтапной истории и появлению слишком большого количества черных дыр малой массы в дальнейшем. К настоящему времени умеренный сценарий оставил меньше противоречий между ранними наблюдениями и измерениями близлежащих черных дыр, проведенными астрономами.

Обнаруженные телескопом JWST красные компактные источники стали центральными объектами исследования, поскольку их много, и они часто доминируют в списках слабых источников. Однако их точная природа остается неясной, поскольку одни из них могут быть густо окутанными черной дырой, а другие — чем-то иным.

Фотометрические образцы могут также содержать смесь настоящих питающихся черных дыр с пылевыми звездообразующими образованиями, что изменяет общую численность популяции. Поскольку эта смешанная группа используется в статистике, неопределенность в отношении ее принадлежности по-прежнему затуманивает более важный вопрос.

Теперь для разрешения спора меньшее значение имеют заголовки новостей и больше — более подробные карты мест, где эти объекты действительно находятся. В будущих исследованиях можно будет измерить кластеризацию, то есть, насколько плотно объекты сгруппированы в пространстве, что позволит определить типы галактик, в которых они находятся.

Более широкие поля зрения также должны показать, происходят ли сегодняшние слабые сигналы из редких космических областей или из более широкой Вселенной. До тех пор, пока не появятся эти проверки, наиболее точное соответствие имеющимся данным остается для черных дыр умеренной массы с высокой активностью.

Новая картина сохраняет эффект неожиданности, присущий «Министерству Звездных войн», но вместо невозможных монстров она представляет собой переполненную раннюю Вселенную, изобилующую черными дырами. Дополнительные данные могут еще больше снизить цифры или пересмотреть массы, однако в статье показано, что небо больше не соответствует прежним предположениям.