Не так уж экзотично: как телескоп Джеймса Уэбба раскрывает правду о первых черных дырах вселенной

Черные дыры, которые появляются в ранней истории Вселенной и обладают массой, сравнимой с несколькими миллионами или даже миллиардами солнечных, давно вызывают у ученых вопрос: как они успели сформироваться так быстро? Эти глыбы гравитации, часто расположенные в центрах галактик, считаются одними из самых загадочных объектов космоса. Их происхождение и механизм роста остаются предметом интенсивных исследований и теоретических споров. Недавние открытия, сделанные при помощи телескопа Джеймса Уэбба (James Webb Space Telescope, JWST), позволяют взглянуть на эти загадочные структуры под новым углом и, возможно, решить давние головоломки происхождения первых черных дыр.

Обнаружение QSO1: ключ к пониманию ранних черных дыр

Немедленно после запуска JWST в 2022 году, учёные начали получать удивительные данные о ранней Вселенной. Одним из самых значимых открытий стало обнаружение объекта QSO1 в галактическом скоплении Абелла 2744, также известном как Пандорова скала. Это скопление действует как гравитационная линза, усиливая и искажая свет от далеких объектов, что позволяет астрономам изучать их в деталях, недоступных ранее. Свет от QSO1 был зафиксирован когда возраст вселенной составлял около 700 миллионов лет — всего лишь пять процентов её текущего возраста, но уже в это время существовали супермасштабные черные дыры и, по всей видимости, целые галактики.

Первичный анализ, проведённый в феврале 2024 года, показал, что масса черной дыры в системе составляет примерно 50 миллионов солнечных масс. Этот показатель стал сенсацией: по существующим моделям, для достижения таких размеров от звездных черных дыр потребовалось бы миллиардное количество времени и невероятно быстрый рост, зачастую невозможно реализовать в рамках стандартных сценариев. Подтверждение этого результата в последующих исследованиях только укрепило понимание, что такие гиганты формировались очень рано и, возможно, по необычным сценариям.

Уникальные особенности системы QSO1

Интенсивное изучение системы QSO1 выявило одну весьма удивительную особенность: в ней практически отсутствуют газ и звезды, характерные для типичных галактик. Это свидетельствует о том, что сама черная дыра, по всей вероятности, доминирует в системе и сформировалась до того, как вокруг нее успела сложиться полноценная галактика. Такой вывод сделал профессор Марта Волоонтери, один из ведущих экспертов по формированию сверхмассивных черных дыр и авторитет в области астрофизики. В интервью LiveScience она отметила: “Это очень странная система. Если подобных объектов окажется больше, то это полностью перевернет наши представления о процессе формирования галактик и черных дыр”.

Ключевое в исследованиях Волоонтери — подтверждение, что масса черной дыры в QSO1 примерно вдвое превышает массу всего окружающего газа и звезд. В сравнении с нашей галактикой — Млечным путем, где массив черной дыры Sagittarius A* составляет менее 0,01% от общего объема галактики, — в случае QSO1 черная дыра явно преобладает.

Маленькие красные точки и загадочные объекты ранней Вселенной

Помимо QSO1, JWST обнаружил огромное число компактных красноватых структур, окрестили их “маленькими красными точками” (little red dots). Эти объекты существуют в эпохи, соответствующие 500 миллионам — 1,5 миллиардами лет после Большого взрыва. Их природа до сих пор остается загадкой. Они могут быть либо очень массивными галактиками с активными ядрами, либо уникальными системами, где происходило быстрое формирование черных дыр или их слияние с галактическими структурами.

Наблюдения показывают, что эти объекты демонстрируют, что черные дыры и галактики могли развиваться намного раньше, чем предполагалось ранее, и иметь гораздо большие массы и плотности.

Истоки формирования черных дыр: звезды или прямое коллапсирование?

Стандартная теория утверждает, что черные дыры образуются в результате смерти массивных звезд, когда они исчерпывают ядерное топливо и коллапсируют под действием гравитации. В ранней Вселенной, согласно этой модели, множество звезд сталкивались со схожим финалом, а черные дыры затем росли, поглощая газ и взаимодействуя друг с другом. Однако, чтобы объяснить наличие гигантских черных дыр с массой десятки миллионов солнечных, потребовались бы невероятно быстрые темпы роста — гораздо выше, чем можно было получить, исходя из стандартных формул.

Альтернативная гипотеза предполагает, что такие черные дыры могли появиться напрямую из коллапсирования огромных газовых облаков без стадии звездного образования — так называемый сценарий прямого коллапса. Эта теория подтверждается недавней находкой UHZ-1, черной дыры, которую ученые по признакам относят к продукту прямого коллапса, согласно исследованию Яльского университета.

Рол姬 первородных черных дыр

Идея о существовании природных черных дыр — так называемых примordialных черных дыр — возникла благодаря работам советских физиков Якова Зельдовича и Игоря Новикова в 1967 году. Они предположили, что в течение короткого времени после Большого взрыва, из-за невероятного сжатия и плотности, могли образовываться черные дыры с массой и в несколько раз превышающей солнечную. Позже, в 1971 году, Stephen Hawking развил эти идеи, добавив, что такие черные дыры могли до сих пор существовать и играть важную роль в структуре Вселенной.

Если эти примордальные черные дыры существовали, они могли бы стать первыми объектами, из которых затем сформировались галактики и сверхмассивные черные дыры в их центрах. Масса таких черных дыр могла колебаться от очень маленьких, с массой в несколько килограммов, до гигантских, с миллионами солнечных масс. Основное их отличие — отсутствие необходимости в звездах и газе для формирования — они могли появиться прямо из условий ранней Вселенной.

Что же означает открытие QSO1 для понимания космоса?

Обнаружение и изучение QSO1 ставит под вопрос привычные модели формирования галактик и черных дыр. Условно говоря, оно подтверждает гипотезу, что в ранней вселенной черные дыры могли формироваться значительно раньше и быстрее, чем это было принято считать. Особенно интересно то, что черная дыра в системе доминирует, а сама галактика кажется почти пустой, что дает основания предположить: такие объекты могут стать "первенцами" в цепочке формирования всей галактической структуры.

Рассматривая результаты, профессор Волоонтери подчеркивает: "Раньше мы считали, что черные дыры — всего лишь часть галактик, но теперь понимаем, что они могли возникать еще раньше. Возможно, наши модели требуют пересмотра".

Этот прорыв помогает не только лучше понять механизмы быстрого роста черных дыр, но и указывает на необходимость переосмысления понятий о начале структурирования Вселенной. Тем более, что подобные объекты могут оказать влияние на развитие всей космологической модели, открывая новые горизонты в изучении происхождения и эволюции Вселенной.

Заключение

Современная астрономия, благодаря технологиям JWST, выходит на новый уровень познания космоса. Обнаружение систем вроде QSO1 и "маленьких красных точек" свидетельствует о том, что процессы формирования черных дыр и галактик могли начаться гораздо раньше и идти по путям, ранее считавшимся невозможными. Эти открытия заставляют ученых переосмыслить устоявшиеся теории и открывают путь к более глубокому пониманию самых загадочных объектов Вселенной — черных дыр, которые уже не так уж экзотичны, как казалось недавно.