В 100 млрд раз ярче Солнца: Джеймс Уэбб нашёл странную чёрную дыру

Фото из открытых источников

Астрономы из MIT и других учреждений идентифицировали исключительно ярко-красный объект, датируемый ранней Вселенной. На первый взгляд она напоминает огромную звезду с размерами, сопоставимыми с нашей Солнечной системой. Однако его энергетическая энергия впечатляет. Объект производит примерно в 100 миллиардов раз больше энергии, чем любая известная звезда может физически генерировать, что значительно приближает его мощность к уровням, связанным с чёрными дырами. Это необычное сочетание побудило исследователей предположить, что красный объект представляет собой совершенно новый вид астрофизического источника.

Исследование, опубликованное 12 августа в журнале Nature, описывает объект и анализ команды наблюдений, проведённых с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) NASA. Телескоп обнаружил яркую красную точку в самой ранней Вселенной, всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.

Чёрная дыра, скрытая внутри гигантской звезды, похожей на кокон

Исследователи считают, что наиболее вероятным объяснением является ранее не виданная комбинация чёрной дыры и звезды. Вместо того чтобы питаться ядерным синтезом, который питает обычные звёзды, объект может состоять из чрезвычайно плотного облака газа, питаемого чёрной дырой в центре.

«Наше изображение этого объекта очень быстро меняется», — говорит ведущий автор Рохан Найду, стипендиат NASA Hubble и Pappalardo в Институте астрофизики и космических исследований Кавли (MKI) MIT. «Мы думаем, что существует центральная чёрная дыра, которая в 100 000 раз массивнее Солнца. А вокруг этой чёрной дыры была бы очень вытянутая оболочка газа, похожая на звезду размером с Солнечную систему. Он огромный.»

Если интерпретация верна, это открытие также может помочь объяснить загадочные «маленькие красные точки», которые появились почти на каждом глубококосмическом снимке, сделанном JWST.

«Эти маленькие красные точки, кажется, повсюду в ранней Вселенной, но к настоящему времени практически исчезают», — говорит Найду. «Что именно это за объекты — одна из самых обсуждаемых тем эпохи JWST.»

Соавторами исследования в MIT являются директор MKI Роберт Симко, профессор экспериментальной физики имени Бруно Б. Росси; и Венди Сан '26, вместе с исследователями из нескольких других учреждений.

Неожиданное открытие в ранней Вселенной

Найду и его коллеги изначально не искали чёрную дыру. Их целью было определить одни из самых ранних и отдалённых галактик с помощью обзора под названием «Мираж или Чудо» (MoM). Используя JWST, они заглянули глубоко в космос и, следовательно, далеко в прошлое, наблюдая эпоху, когда Вселенной было всего несколько сотен миллионов лет. Они хотели определить, какие галактики действительно сформировались так рано.

«Существует загадка с множеством ярких галактик, появляющихся в очень ранние времена», — говорит Найду. «Мы обнаружили, что то, что выглядит как чрезвычайно яркая ранняя галактика, то есть 'чудо', в некоторых случаях может быть «миражом».»

При поиске перспективных целей на изображениях JWST команда заметила один источник, который выглядел особенно необычным. Он выглядел одновременно ярко красным и удивительно ярким.

«Когда мы видим что-то очень красное во Вселенной, мы часто предполагаем, что оно окружено пылью, такой как сажа или пепел», — объясняет Симко. «Точно так же, как дым от лесных пожаров в Канаде недавно сделал небо в Бостоне ярко-красным, астрономические объекты могут казаться краснее, чем их внутренний цвет, если смотреть на них сквозь завесу пыли.»

Но другие особенности света объекта не соответствовали тому, что учёные обычно ожидают от пыли. Исследователи также обнаружили поразительную закономерность в её спектре. Источник был чрезвычайно ярким на некоторых длинах волн, но его свет полностью исчезал ниже определённых длин волн.

Рекордный брейк Балмера

Это внезапное снижение света известно как «бальмеровский разрыв». Эта особенность обычно связана с плотным газом, поглощающим фотоны в атмосферах звёзд, которым несколько сотен миллионов лет. Вега, одна из самых ярких звезд на ночном небе, демонстрирует такой же узор.

«Разрыв, который мы наблюдали в этом объекте, — самый глубокий разлом, который мы когда-либо наблюдали в любом объекте, исключая "обычные" звёзды как источник», — говорит Найду. «Но это заставило нас задуматься, не видим ли мы новый вид "звёздной атмосферы", но в впечатляющих масштабах.»

Этот предмет был необычен и в другом важном смысле. Её свет почти не показывал признаков металлов или элементов, кроме водорода и гелия.

«Это было по-настоящему уникально во многих отношениях», — говорит Найду.

Тестирование, что может создать такой красный объект

Чтобы определить, что может привести к необычному облику объекта, исследователи смоделировали несколько возможных астрофизических сценариев и сравнили их с тем, что наблюдал JWST.

«Мы начали спрашивать: можно ли сделать что-то такое красное, используя только водород, без пыли?» — говорит Симко. «К нашему удивлению, оказывается, что это возможно, если у вас чрезвычайно плотный экран водорода, настолько плотный, что он больше похож на поверхность огромной звезды, чем на тонкую межзвёздную туманность.»

Симуляции показали, что красный источник может содержать чрезвычайно мощный источник энергии, скрытый внутри очень плотного кокона водорода. Такая структура может объяснять сильный разрыв Балмера и тот факт, что исследователи обнаружили лишь водород и гелий лишь немного.

Однако оставалась одна большая загадка. Объяснение всё равно должно было учитывать необычайную яркость объекта.

«У вас есть что-то, что немного напоминает звезду, но ярче в 100 миллиардов раз», — говорит Найду. «Это значит, что нельзя питать это ядерным синтезом, который является источником энергии, лежащим в основе всех звёзд, которые у нас есть.»

Огромная чёрная дыра обеспечивает недостающую энергию

Чёрные дыры могут генерировать энергию на огромных уровнях, обнаруженных исследователями. Поэтому команда добавила активную, аккрецирующую чёрную дыру к симуляциям плотного водородного кокона. Они скорректировали массу чёрной дыры и другие свойства, затем сравнили смоделированную яркость с измерениями красной точки JWST.

Лучшее совпадение указывало на чёрную дыру как наиболее вероятное объяснение.

Согласно модели команды, объект содержит центральную чёрную дыру с массой примерно в 100 000 раз большей массы Солнца. Вокруг неё находится чрезвычайно плотная, звездоподобная оболочка водорода, простирающаяся примерно по размеру Солнечной системы.

Исследователи назвали объект MoM-BH*-1 в честь обследования, в ходе которого он был найден. Они также дали ей прозвище «звезда чёрной дыры — один», что предполагает, что это может быть первым примером более широкой популяции.

Могут ли чёрные дыры объяснить маленькие красные точки JWST?

Исследователи подозревают, что звёзды чёрных дыр могут объяснять многие другие маленькие красные точки, видимые на изображениях JWST. Эти источники не такие яркие, как MoM-BH*-1, но могут иметь одну и ту же базовую структуру.

«Каждая маленькая красная точка соответствует тому, что это звезда чёрной дыры, встроенная в типичную раннюю галактику», — говорит Найду. «Но особенность MoM-BH*-1 в том, что звезда чёрной дыры фактически полностью затмевает окружающую галактику-хозяина, так что мы видим чистый свет чёрной дыры.»

Если эта интерпретация подтвердится, MoM-BH*-1 может дать важную подсказку к одной из самых обсуждаемых загадок эпохи JWST, а также выявить тип космического объекта, который астрономы ранее никогда напрямую не наблюдали.