Загадка происхождения сверхмассивных черных дыр
Сверхмассивные черные дыры огромны, появляются на ранних стадиях истории Вселенной, и их происхождение долгое время оставалось загадкой. С тех пор как астрономы впервые обнаружили сверхмассивные черные дыры в центрах большинства галактик, объяснить их возникновение оказалось непросто.
Однако недавние наблюдения с помощью Космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) могут пролить свет на то, как сверхмассивные черные дыры развивались так стремительно, чтобы стать гигантами ранней Вселенной.
Объект QSO1 находится в галактическом кластере Abell 2744, также известном как Кластер Пандоры. Масса в кластере действует как гравитационная линза, а это значит, что она может фокусировать и изменять свет от дальних источников, заставляя их выглядеть ярче и многочисленнее. Свет от QSO1 был испущен, когда Вселенной было около 700 миллионов лет (сейчас ей почти 14 миллиардов лет).
Черная дыра в QSO1 была впервые исследована в феврале 2024 года, что показало, что галактика содержит черную дыру с массой, приблизительно равной 50 миллионам солнечных масс. Недавнее исследование, проведенное Игнасом Юодзбалисом из Кембриджского университета, подтвердило первоначальную оценку массы и также продемонстрировало, что в QSO1 отсутствует значительная доля газа и звезд. Это говорит о том, что черная дыра доминирует в этой системе.
«Система очень странная», — говорит Марта Волнтери, профессор парижского Института астрофизики. «Если есть еще подобные, это становится действительно необычным». Волнтери, признанный эксперт в области формирования сверхмассивных черных дыр, добавляет: «Я перепроверила результаты с помощью своего кода. В системе почти нет места для какой-либо значительной массы, кроме массы черной дыры».
В QSO1 масса черной дыры почти в два раза превышает массу окружающего газа и звезд. В отличие от этого, масса черной дыры Стрелец A*, которая находится в центре Млечного Пути, составляет лишь крошечную долю от общей массы галактики.
Загадочные «маленькие красные точки»
Когда JWST начал собирать данные в 2022 году, он выявил удивительное открытие: множество компактных галактик красного цвета, которые получили название «маленькие красные точки». Они наблюдаются в эпохах, соответствующих примерно 500 миллионам до 1.5 миллиардов лет после Большого Взрыва. Их точная природа пока остаётся загадкой, но эти древние объекты указывают на то, что галактики, черные дыры или и то, и другое развивались раньше и с большей массой или плотностью, чем считалось ранее.
Черные дыры могут формироваться, когда массивные звезды исчерпывают своё ядерное топливо и коллапсируют под действием собственной гравитации. На заре Вселенной эти ранние черные дыры могли расти, поглощая звезды, газовые облака и другие черные дыры. Однако астрономы сталкиваются с трудностями при расчетах скорости аккреции материи черными дырами с солнечной массой, что затрудняет объяснение того, как они могли превратиться в наблюдаемые космические колоссы.
Одна из альтернативных теорий состоит в том, что, вместо того чтобы образовываться из звезд, некоторые черные дыры во Вселенной могли возникать в результате прямого коллапса огромных газовых облаков. Эта версия была подтверждена открытием UHZ-1, черной дыры, показывающей признаки непосредственного коллапса. Однако QSO1, одна из нескольких сотен «маленьких красных точек», кажется, образовалась другим способом.
«Мои соавторы предположили, что её происхождение может быть связано с первичной черной дырой, или это может быть темная материя, коллапсировавшая из-за своего взаимодействия. В любом случае, черная дыра появилась значительно раньше обычной материи, такой как газ и звезды», — утверждает Волнтери.
Первичные черные дыры
В 1967 году советские физики Яков Б. Зельдович и Игорь Д. Новиков предложили, что в течение краткого момента после Большого Взрыва некоторые области Вселенной содержали столько массы, что они коллапсировали в черные дыры. Эта идея была далее развита Стивеном Хокингом в 1971 году и с тех пор исследовалась как теоретически, так и наблюдательно.
Такие первичные черные дыры не только получали преимущества в своем росте и размере, но и находились в центре образующихся вокруг них галактик. «То, что черная дыра в QSO1 так сильно увеличилась без образования звезд, указывает на случай, когда она развилась значительно быстрее, чем галактика», — заключает Волнтери.
Таким образом, открытие QSO1 может решить вопрос о том, что появилось первым: галактика или черная дыра в её центре? «Это один объект, который еще находится на стадии анализа. Я надеюсь, что все исследования корректны, но это очень сложно. То, что когда-то мы называли экзотическими моделями, возможно, больше не такое уж экзотичное», — добавляет она.
Этот тезис может иметь большие последствия для нашего понимания ранней Вселенной и взаимосвязи между черными дырами и галактиками.
