Много лет космический телескоп Джеймса Уэбба обнаруживал в ранней Вселенной огромные чёрные дыры, которые превосходили все ожидания. Теперь астрономы наконец-то разгадывают происхождение этих космических гигантов.
В центре всех галактик скрываются колоссальные чудовища. Эти гравитационные зверюги, известные как сверхмассивные чёрные дыры, могут иметь массу в миллионы и миллиарды раз превышающую массу Солнца.
На протяжении десятилетий астрономы задавались вопросом, откуда взялись эти гиганты и как они стали такими огромными. Вначале физики полагали, что сверхмассивные чёрные дыры формируются так же, как и другие, более мелкие чёрные дыры — когда большие звёзды коллапсируют и превращаются в чёрные дыры размером с Солнце, которые медленно поглощают окружающую материю и сливаются друг с другом в течение миллиардов лет.
Но чем дальше, тем яснее становится, что эта модель неверна.
«Уэбб» заглянул в самые ранние эпохи космической истории и обнаружил гигантские чёрные дыры, которые оказались слишком велики и появились слишком рано, чтобы их существование можно было объяснить традиционными моделями. Исследователи начинают составлять историю их происхождения, в которой, вероятно, участвовали странные и экзотические процессы.
Новые исследования показывают, что огромные чёрные дыры могли возникнуть в самом начале Вселенной, возможно, даже до появления звёзд и галактик, и что они возникали разными способами. Хотя будущие открытия помогут сузить круг возможных механизмов их образования, многие специалисты в этой области уже сейчас воодушевлены тем, что могут постепенно разгадывать давнюю космическую загадку.
«Это один из самых захватывающих этапов моей карьеры, — сказал Live Science астрофизик из Кембриджского университета Роберто Майоло. — Мне хочется назвать это настоящей революцией в нашем понимании образования этих объектов».
Загадочные гиганты
Намёки на это несоответствие космических масштабов появились в начале 2000-х годов, когда такие инструменты, как Sloan Digital Sky Survey, помогли собрать данные о десятках тысяч чрезвычайно ярких объектов, называемых квазарами, в далёкой вселенной. Считается, что эти светящиеся объекты представляют собой гигантские чёрные дыры в центрах галактик. Они поглощают огромные количества газа и пыли, а затем извергают из себя мощное излучение. Исследование Sloan показало, что многие квазары существовали, когда Вселенной было всего 800 миллионов лет — это лишь малая часть её нынешнего возраста в 13,8 миллиарда лет. Существование этих гигантов, масса которых в миллионы и миллиарды раз превышает массу Солнца, было загадкой для космологов.
Всё оттого, что типичная чёрная дыра возникает, когда огромная звезда приближается к концу своей жизни и взрывается в виде яркой сверхновой. Ядро огромной звезды коллапсирует в сверхплотную точку, из которой ничто, включая свет, не может вырваться. Такие чёрные дыры размером со звезду обычно оказываются в 10-100 раз массивнее Солнца. Хотя эти объекты могут притягиваться друг к другу под действием гравитации и сливаться в ещё более крупные чёрные дыры, в самых ранних этапах истории Вселенной, по-видимому, не хватило бы времени для того, чтобы такие процессы сформировали чёрные дыры размером с квазары.
«Мы понимали, что либо они растут очень быстро, либо должны быть какие-то другие способы их образования», — сказал Live Science астрофизик Игнас Юодзбалис, также из Кембриджского университета.
Вопрос был в том, как именно. Одна из ведущих теорий предполагает, что в прошлом гигантские скопления газа и пыли могли коллапсировать под собственным весом, быстро образуя чёрную дыру с массой, возможно, в 1000 или даже в миллион раз превышающей массу Солнца. Эти чёрные дыры прямого коллапса, как их сейчас называют, росли, питаясь газом и пылью и сливаясь в сверхмассивные чёрные дыры, которые мы видим сегодня в центрах галактик.
Модели предсказывали, что по мере того, как такие чёрные дыры насыщались, они становились чрезвычайно яркими по сравнению со своими галактиками-хозяевами, достигая или превосходя яркость окружающих звёзд. Другими словами, они становились квазарами.
В 2023 году «Уэбб» обнаружил далёкую галактику, получившую название UHZ1, которая, по-видимому, точно соответствовала модели чёрной дыры с прямым коллапсом. Галактика уже существовала, когда Вселенной было всего 470 миллионов лет, и содержит чёрную дыру с массой, по оценкам, равной 40 миллионам солнечных.
Астрономам повезло, потому что UHZ1 обнаружил как «Уэбб», который «видит» в инфракрасной части электромагнитного спектра, так и обсерватория НАСА «Чандра», которая «видит» в рентгеновском свете. Инфракрасный свет в основном исходит от звёзд и тёплой пыли, нагретой звёздным светом, тогда как более мощные рентгеновские лучи испускаются поглощающей материю чёрной дырой.
Инфракрасная и рентгеновская яркость UHZ1 сравнимы друг с другом, что указывает на чёрную дыру настолько большую, что она соперничает по массе со всеми звёздами в своей галактике. (Для сравнения: у современной галактики, такой как наш Млечный Путь, масса звёзд, газа и пыли примерно в 20 000 раз больше, чем у её центральной чёрной дыры). Никто раньше не видел ничего подобного.
Но исследователи точно предсказали, как цвета, излучаемые чёрной дырой прямого коллапса, будут выглядеть в приборах «Уэбба», а также несколько других ключевых свойств, которые могут идентифицировать такой объект.
«Оказалось, что UHZ1 замечательно соответствует всем этим свойствам», — сказал Live Science Приямвада Натараджан, астрофизик из Йельского университета и ведущий автор статьи, в которой были сделаны эти предсказания.
Маленькие красные точки
UHZ1 — не единственный пример такого объекта. Практически с момента включения «Уэбба» он постоянно обнаруживает чрезвычайно компактные красные объекты, которые существовали в основном в период, когда возраст космоса составлял от полумиллиарда до 1,5 миллиарда лет. Изначально считалось, что эти объекты, известные как «маленькие красные точки», являются галактиками. Однако размер их был слишком большим для того, чтобы они могли сформироваться в ранней вселенной, что побудило некоторых учёных назвать их «разрушителями вселенной» за то, что они опровергают модели космической истории. В настоящее время преобладает мнение, что это не необычно большие галактики, а огромные и необычные чёрные дыры.
Например, объект под названием QSO1, существовавший, когда возраст Вселенной составлял около 700 миллионов лет, интенсивно изучают с момента его открытия в 2023 году. В ходе недавнего исследования учёные проанализировали газ, вращающийся вокруг центра QSO1, с целью определить его массу с высокой точностью. Вращающийся газ движется с определённой скоростью, зависящей от силы тяжести, действующей на него во время вращения. Используя эту технику, астрономы показали, что масса QSO1 составляет около 50 миллионов солнц. Более того, вся масса, по-видимому, находится в компактной области вокруг чёрной дыры, и в том регионе практически нет признаков наличия большого скопления звёзд.
«Мы до сих пор не видим галактику-хозяйку [этого объекта], — сказал Live Science астроном из Техасского университета в Остине Лукас Фуртак. — Похоже, что её просто нет».
О таком варианте развития событий — гигантская чёрная дыра без видимой галактики-хозяйки — астрономы предполагали, но ранее никогда не наблюдали ничего подобного. Однако, похоже, именно этим и являются многие из этих маленьких красных точек. В другом недавнем исследовании был проанализирован объект под названием «Утёс», масса которого, вероятно, в миллиарды раз превышает массу Солнца и который возник примерно через 1,8 миллиарда лет после Большого взрыва. Данные «Уэбба» показали наличие очень резкого всплеска в спектре излучения «Утёса» на определённой длине волны, который обычно возникает из-за наличия плотного водородного газа при определённой температуре. Результаты исследования указывают на то, что «Утёс» может быть объектом, о существовании которого уже давно выдвигали гипотезы — а именно, квазизвездой или звездой-чёрной дырой.
Квазизвезда может быть потенциальной стадией эволюции чёрной дыры, образовавшейся в результате прямого коллапса. После того, как центральная часть газа сжалась, образовав чёрную дыру, его остатки, внешняя сфера газа и пыли, постепенно должна нагреться от излучения чёрной дыры и начать светиться на красных волнах. Подобный объект выглядел бы как гигантская красная звезда, но на самом деле был бы оболочкой из горячего водорода, окружающей сверхмассивную чёрную дыру.
В самом начале
Хотя модели прямого коллапса могут объяснить многое из того, что видит «Уэбб», остаётся ещё несколько других возможностей образования сверхмассивных чёрных дыр.
Впервые предложенные Стивеном Хокингом в 1970-х годах первичные чёрные дыры представляют собой класс объектов, которые могли возникнуть в первые мгновения после Большого взрыва, когда области пространства с повышенной плотностью материи коллапсировали под собственным весом. Такие чёрные дыры могут иметь самые разные размеры, в том числе достаточно большие, чтобы служить исходными зародышами для появления впоследствии сверхмассивных чёрных дыр. Одно из исследований показало, что слияние первичных чёрных дыр может объяснить существование GN-z11, галактики, образовавшейся, когда Вселенной было всего 400 миллионов лет, и содержащей чёрную дыру с массой, по оценкам, равной 2 миллионам солнц.
Другая теория предполагает существование «не совсем первичных чёрных дыр». Они могли образоваться в течение первых нескольких миллионов лет после Большого взрыва — позже, чем первичные чёрные дыры, но всё же задолго до появления звёзд — когда большие облака водорода и гелия коллапсировали под собственным весом.
«Для существования первичных чёрных дыр необходимо, чтобы в самой ранней Вселенной возникали чрезвычайно плотные области», — рассказала Live Science Венцер Цинь, ��изик-теоретик из Нью-Йоркского университета. Как правило, это требует тщательной настройки параметров в космологической модели, добавила она. Когда такие жёсткие ограничения немного ослабляются, плотные области появляются немного позже в космической истории, создавая чёрные дыры прямого коллапса, которые могут слиться и в конечном итоге превратиться в сверхмассивные чёрные дыры.
Астрономы считают, что почти все элементы тяжелее водорода и гелия были созданы в ядерных недрах гигантских звёзд, а когда эти звёзды превратились в сверхновые, элементы разбросало по Вселенной. Многие из ранних чёрных дыр и молодых галактик, которые видит «Уэбб», содержат небольшое количество этих тяжёлых элементов. Это может означать, что по крайней мере некоторые из этих объектов образовались из первичных или не совсем первичных чёрных дыр, учитывая, что и те, и другие возникли задолго до появления звёзд.
Исследователи всё ещё спорят, какая из этих моделей может быть доминирующей для образования гигантских чёрных дыр, но большинство склоняется к смешанной точке зрения.
«Я думаю, что в конечном итоге это будет некоторая комбинация всех этих механизмов, которая приведёт к появлению всей популяции сверхмассивных чёрных дыр», — сказал Цинь.
Другие миссии, такие как обсерватория «Евклид» Европейского космического агентства, запущенная в 2023 году, и космический телескоп «Нэнси Грейс Роман» НАСА, запуск которого запланирован на 2027 год, будут сотрудничать с «Уэббом», чтобы обнаружить и изучить больше ранних сверхмассивных чёрных дыр. Это должно помочь исследователям различить эти механизмы образования и определить, какой из них, если таковой имеется, является более распространённым.
Что становится всё более очевидным для многих астрономов, — это то, что сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик, вероятно, не произошли от чёрных дыр размером со звезду.
Благодаря своим беспрецедентным возможностям, «Уэбб» перевернул наше понимание ранней истории космоса и теперь помогает переписать историю развития гигантских чёрных дыр.
«Вселенная заполнена сверхмассивными чёрными дырами, которые образовались на очень ранней стадии, — сказал Натараджан. — Я не могу передать, насколько это захватывающе».
