Одной из самых больших загадок современной космологии остаётся вопрос о том, как возникли первые сверхмассивные чёрные дыры. Согласно традиционным представлениям, сначала формируются звёзды и галактики, а затем в их центрах постепенно появляются и растут чёрные дыры. Однако новые наблюдения космического телескопа «Джеймс Уэбб» поставили эту последовательность под серьёзное сомнение.
Международная группа астрономов сообщила об изучении необычного объекта в ранней Вселенной, который может оказаться примером сверхмассивной чёрной дыры, возникшей ещё до формирования полноценной галактики вокруг неё. Если выводы исследователей подтвердятся, это станет одним из самых значимых открытий последних лет в области астрофизики и может потребовать пересмотра существующих моделей эволюции космических структур.
Загадка первых чёрных дыр
Сегодня астрономам известно, что в центрах большинства крупных галактик находятся сверхмассивные чёрные дыры. Масса таких объектов может достигать миллионов и даже миллиардов масс Солнца.
Проблема заключается в том, что телескопы обнаруживают подобные объекты уже в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва. По космическим меркам это чрезвычайно короткий промежуток времени. Согласно классическим моделям, небольшие чёрные дыры, образовавшиеся после гибели первых звёзд, должны были постепенно наращивать массу за счёт поглощения газа и слияний друг с другом. Однако расчёты показывают, что для достижения наблюдаемых размеров многим из них просто не хватало времени.
После запуска телескопа «Джеймс Уэбб» проблема стала ещё более острой. Новый инструмент начал обнаруживать множество очень далёких и ярких объектов, существовавших тогда, когда возраст Вселенной составлял лишь несколько процентов от нынешнего.
Таинственные «маленькие красные точки»
Одним из наиболее неожиданных открытий телескопа стало обнаружение так называемых Little Red Dots — «маленьких красных точек».
На снимках ранней Вселенной эти объекты выглядят как крошечные красноватые источники света. Несмотря на скромные размеры, многие из них оказались необычайно яркими. Исследователи быстро заподозрили, что часть их свечения может быть связана не со звёздами, а с активными сверхмассивными чёрными дырами.
Одним из самых интересных представителей этого класса стал объект Abell2744-QSO1. Его свет путешествовал к Земле более 13 миллиардов лет. Мы видим его таким, каким он был примерно через 700 миллионов лет после рождения Вселенной. Именно этот объект стал предметом детального исследования.
Космическая линза помогла заглянуть в далёкое прошлое
Изучение столь удалённых объектов обычно представляет огромную сложность. Однако в данном случае астрономам помогла сама природа.
Между Землёй и объектом находится крупное скопление галактик Abell 2744, которое действует как естественная гравитационная линза. Огромная масса скопления искривляет пространство-время и усиливает свет более далёких источников. Благодаря этому эффекту изображение QSO1 оказалось увеличенным и доступным для подробного анализа.
Фактически исследователи получили возможность рассмотреть объект, который при обычных условиях был бы слишком тусклым даже для самых мощных современных телескопов.
Первое прямое измерение массы в столь ранней Вселенной
Одним из важнейших результатов исследования стало проведение прямого измерения массы центральной чёрной дыры.
Ранее большинство оценок массы ранних сверхмассивных чёрных дыр основывалось на косвенных методах. Учёные использовали модели, разработанные для объектов в современной Вселенной, и предполагали, что те же закономерности действовали миллиарды лет назад.
В случае QSO1 астрономам удалось проследить движение газа вокруг центрального объекта и на основе этих данных определить его массу гораздо более надёжным способом.
Результаты оказались неожиданными. Масса чёрной дыры оценивается примерно в 40–50 миллионов солнечных масс. При этом сама окружающая её галактическая система оказалась чрезвычайно маленькой и бедной звёздами.
Чёрная дыра тяжелее своей галактики
Наиболее удивительным выводом стало соотношение между массой чёрной дыры и массой её окружения.
В современных галактиках сверхмассивные чёрные дыры обычно составляют лишь небольшую долю массы звёздного населения. Однако в случае QSO1 ситуация выглядит совершенно иначе. По оценкам исследователей, масса центральной чёрной дыры может превосходить массу всей наблюдаемой звёздной компоненты галактики.
Фактически астрономы столкнулись с объектом, который больше напоминает огромную чёрную дыру с зачатками будущей галактики вокруг неё, чем полноценную галактику с центральной чёрной дырой.
Именно этот факт заставил исследователей задуматься о том, что чёрная дыра могла появиться раньше основной массы звёзд.
Как такое вообще возможно?
Если объект действительно сформировался раньше своей галактики, возникает вопрос о механизме его происхождения.
Одним из возможных объяснений является сценарий так называемого прямого коллапса. Согласно этой гипотезе, в молодой Вселенной могли существовать гигантские облака газа, которые не образовывали звёзды, а сразу сжимались в чрезвычайно массивные чёрные дыры.
Такой процесс позволил бы получить крупные «зародыши» сверхмассивных чёрных дыр практически с самого начала космической истории.
В этом случае объект не обязан был проходить через стадию небольшой чёрной дыры звёздного происхождения. Он мог родиться уже очень массивным.
Возможна ли связь с первичными чёрными дырами?
Исследователи также рассматривают ещё более экзотическую возможность.
Некоторые теоретические модели допускают существование так называемых первичных чёрных дыр, которые могли возникнуть непосредственно в первые мгновения после Большого взрыва. Такие объекты никогда не образовывались из звёзд и являлись бы реликтами самых ранних этапов существования Вселенной.
Пока никаких убедительных доказательств существования подобных объектов нет. Однако свойства QSO1 заставили учёных вновь обратить внимание на подобные сценарии.
Важно подчеркнуть, что речь пока идёт лишь о гипотезах. Наблюдения ещё не позволяют окончательно определить происхождение обнаруженной чёрной дыры.
Почему открытие так важно для космологии
На протяжении десятилетий считалось, что галактики и их центральные чёрные дыры развиваются совместно, влияя друг на друга.
Звёзды поставляют вещество для роста чёрной дыры, а активная чёрная дыра, в свою очередь, способна регулировать образование новых звёзд. Эта картина хорошо описывает многие процессы в современной Вселенной.
Однако объект QSO1 показывает, что на ранних этапах космической истории ситуация могла выглядеть совсем иначе.
Если сверхмассивные чёрные дыры действительно появлялись раньше галактик, то они могли сами становиться центрами будущих звёздных систем, притягивая газ и способствуя формированию галактик вокруг себя.
В таком случае причинно-следственная связь оказывается обратной той, которую долгое время считали основной.
Возможно, таких объектов намного больше
Особый интерес вызывает тот факт, что QSO1 не является единственным необычным объектом, найденным телескопом «Джеймс Уэбб».
За последние годы были обнаружены сотни похожих «маленьких красных точек». Многие из них также демонстрируют признаки присутствия очень массивных чёрных дыр в эпоху, когда Вселенная была ещё совсем молодой.
Это позволяет предположить, что подобные объекты могли быть распространённым явлением, а не редким исключением.
Сейчас астрономы активно изучают другие представители этого класса, чтобы понять, насколько типичной является ситуация, наблюдаемая в QSO1.
Новая глава в изучении ранней Вселенной
Телескоп «Джеймс Уэбб» уже неоднократно заставлял учёных пересматривать представления о первых эпохах существования космоса. Обнаружение возможной чёрной дыры, сформировавшейся раньше своей галактики, стало ещё одним примером того, насколько сложной и неожиданной оказывается ранняя история Вселенной.
Пока исследователи не готовы окончательно заявить, что нашли прямое доказательство существования первичных или напрямую коллапсировавших сверхмассивных чёрных дыр. Тем не менее полученные данные стали одним из самых сильных аргументов в пользу того, что некоторые из этих гигантов могли родиться уже очень массивными и начать формировать окружающие галактики вокруг себя.
Если дальнейшие наблюдения подтвердят эти выводы, астрономам придётся серьёзно пересмотреть существующие модели возникновения первых галактик и чёрных дыр. Возможно, в молодой Вселенной именно чёрные дыры были не следствием появления галактик, а одной из главных причин их рождения.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
