Ученые выяснили, как гигантские черные дыры быстро выросли после Большого взрыва

Фото из открытых источников

Астрономы обнаружили странную черную дыру, окутанную плотным газом, которая может объяснить, как гигантские черные дыры так быстро выросли после Большого взрыва. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature.

Практически в каждой крупной галактике в центре находится гигантская черная дыра. Некоторые из этих гигантов уже весили миллиард Солнц, когда Вселенной было менее 700 миллионов лет. Астрономы десятилетиями пытались объяснить, как что-либо могло так быстро стать таким тяжелым.

Новое исследование, основанное на наблюдениях с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, предполагает один из возможных ответов. Исследователи описывают молодую черную дыру, окутанную настолько плотным газом, что весь объект светится как одна огромная звезда.

Астрономы называют подобные объекты черными дырами — звездами. Свет от этой черной дыры распространяется уже 13 миллиардов лет, с момента, произошедшего всего через 660 миллионов лет после Большого взрыва, и более ранних примеров не обнаружено.

Этот объект был обнаружен в ходе обзора телескопа Webb под названием «Мираж» или «Чудо», созданного для наблюдения за «рискованными» источниками, которые могли оказаться крупными открытиями или близкими аналогами. Этот же обзор подтвердил существование самой дальней из известных галактик.

Работу возглавлял Рохан Найду из Института астрономии Гавайского университета, а также Йоррит Маттее из Австрийского института науки и технологий (ISTA).

На снимках, охватывающих участок неба размером примерно в треть полной Луны, этот источник оказался самым красным из обнаруженных. Он светился на самых длинных инфракрасных волнах телескопа Вебба и исчезал в более синем свете, и всё это из одной точки.

Маттее, придумавший прозвище «маленькие красные точки» для ряда загадочных объектов на снимках Уэбба, совсем не ожидал увидеть что-то очень далекое.

«Первым сюрпризом стало даже расстояние до объекта», — сказал Маттее.

По его словам, по первым снимкам он бы предположил, что это коричневый карлик. Это тусклые, несостоявшиеся звезды в нашей собственной Галактике Млечный Путь, и на фотографиях их можно принять за далекие галактики.

Команда разделила свет объекта по длинам волн и измерила его яркость на каждой из них. На красной стороне одной из длин волн объект светит более чем в 20 раз ярче, чем на синей стороне. Астрономы называют такое падение бальмеровского спектра разрывом, и звезды создают умеренные разрывы в своих атмосферах. Популяция обычных звезд не может создать разрыв сильнее примерно трех по шкале, используемой астрономами.

Даже объект, построенный исключительно из самых мощных звезд, оставался бы меньше пяти. Размер этого объекта составлял 7,7. Спектр показывает еще кое-что: водородный газ поглощает свет на нескольких определенных длинах волн. Для такого поглощения света газ должен быть чрезвычайно плотным. До телескопа Webb астрономы наблюдали этот признак лишь в нескольких объектах, каждый из которых содержал сверхмассивную черную дыру.

Красные объекты в космосе обычно означают пыль, которая поглощает синий свет. В данном случае команда исследователей выяснила, что причиной цвета является плотный водородный газ. Исследователи смоделировали источник как черную дыру, масса которой примерно в один-десять миллионов раз превышает массу Солнца.

В этой модели черная дыра окружена бурлящей водородной оболочкой, простирающейся на десятки раз дальше, чем расстояние от Земли до Солнца, — примерно размером с нашу Солнечную систему.

В оболочке практически нет пыли. Плотный газ окрашивает проходящий сквозь неё свет в красный цвет, не загораживая обзор, подобно тому, как атмосфера Земли окрашивает Солнце в красный цвет на закате.

«Обнаруженный нами спектр — это лучшее доказательство существования газового покрова, питающего формирующуюся на ранней стадии черную дыру», — сказал Найду. «Из-за его спектра и в знак уважения к названию исследования мы окрестили объект „MoM-BH*-1“».

У чёрных дыр есть предел поглощения вещества. Падающая в них материя нагревается и светится, и этот свет отталкивает всё, что продолжает падать, что обычно ограничивает скорость роста чёрной дыры. Плотная оболочка может это изменить. Теория предсказывает, что газ удерживает выходящий свет, поэтому гравитация преодолевает внешнее давление, и черная дыра растет сверх обычного предела.

«Теоретические модели уже предсказали, что ранние черные дыры, внедренные в плотный газ, могут быстро расти за счет так называемой сверхэддингтоновской аккреции», — отметил Найду.

Эта чёрная дыра может находиться в середине такого эпизода или ближе к его завершению. Команда пока не может сказать, в какой именно степени. Исследователи также называют свою модель простой и идеализированной — способом формирования физической интуиции, а не законченной картиной.

Уэбб сфотографировал сотни маленьких красных точек. Мэтью назвал их «маленькими квазарами», когда его команда описала их в 2024 году, и с тех пор исследователи написали о них почти тысячу статей и препринтов. Их свет сливается воедино – свет от галактики-хозяина и центрального объекта смешивается в одну точку – поэтому никто не мог бы изучать центр отдельно.

MoM-BH*-1 впервые предоставляет астрономам такой обзор. Почти весь её свет исходит от чёрной дыры и её оболочки, оставляя мало места для звёзд галактики-хозяина. У этого объекта также есть более яркий сосед — галактика, расположенная примерно в 195 000 световых годах от нас, что примерно соответствует двум Млечным Путям, расположенным рядом. Ожидается, что они сольются примерно через 100 миллионов лет.

Если сложить свет обоих источников, получится типичная маленькая красная точка. Галактика доминирует в синей части спектра, а черная дыра затмевает ее в красной части.

Маттее сказал: «Если черные дыры, подобные MoM-BH*-1, находятся в похожих галактиках-хозяевах, они вполне могут служить центральными двигателями молодых квазаров». 

На изученном изображении рассеяние в газе, а не в быстро движущейся материи, приводит к расширению светового потока этих объектов. Это означало бы, что более ранние оценки массы черных дыр для красных точек были значительно завышены, с погрешностью в десять или даже сто раз.

Команда впервые объявила о MoM-BH*-1 в марте 2025 года, одновременно с тем, как другая группа описала The Cliff, аналогичный объект более поздней эпохи.

Одновременное появление двух таких признаков помогло доказать, что это действительно отдельный класс объектов.

Маттее отметил, что его команда продолжает пытаться опровергнуть эту идею, но пока ей это не удалось.

«Наука занимается опровержением, а не подтверждением», — сказал он. «Честно говоря, трудно сказать, какое единственное измерение подтвердит эту теорию вне всякого сомнения».

Астрономам потребуются более крупные статистические выборки и компьютерные модели, воспроизводящие эти условия. Самым сложным испытанием будет измерение состава оболочки и скорости движения её ветров — работа, по словам Маттее, уже началась.

«Как только вы узнаете о существовании чего-либо, вы можете разработать для этого специальные опросы, и именно этим мы и другие уже занимаемся», — сказал он.

Самая большая загадка — насколько распространены были эти объекты. Маленькие красные точки становятся редкостью после первого миллиарда лет существования Вселенной, и, по словам Маттее, количество более поздних примеров до сих пор неопределенно с точностью до десяти раз. Предстоящие исследования покажут, образовались ли в ранней Вселенной сотни черных дыр, или же эта — редкое явление.