Считалось, что чёрные дыры возникают в результате коллапса мёртвых звёзд. Но изображение ранней Вселенной, полученное с помощью телескопа Webb, намекает на альтернативный путь.
Сколько существует способов покинуть нашу Вселенную?
Пожалуй, самый известный из них связан со смертью звезды. В 1939 году физик Дж. Роберт Оппенгеймер и его студент Хартланд Снайдер из Калифорнийского университета в Беркли предсказали, что когда у достаточно массивной звезды закончится термоядерное топливо, она рухнет внутрь – сколлапсирует - и будет продолжать падать внутрь себя вечно, сжимая пространство, время и свет вокруг себя в то, что сегодня называют чёрной дырой.
Но оказалось, что для образования чёрной дыры мёртвая звезда может и не понадобиться. Вместо этого, по крайней мере в ранней Вселенной, гигантские облака первобытного газа могли коллапсировать прямиком в чёрные дыры, минуя миллионы лет, которые звёзды проводят в космосе.
К такому предварительному выводу недавно пришла группа астрономов, изучающих UHZ-1, пятнышко света, появившееся вскоре после Большого взрыва. На самом деле UHZ-1 - это мощный квазар, который извергает (или извергал) огонь и рентгеновские лучи из чудовищной чёрной дыры 13,2 миллиарда лет назад, когда Вселенная была ещё совсем молодой - возрастом 500 миллионов лет.
С космической точки зрения, это необычайно мало времени для появления в результате звёздных коллапсов и слияний столь массивной чёрной дыры. Приямвада Натараджан, астроном из Йельского университета и ведущий автор статьи, опубликованной в Astrophysical Journal Letters, и её коллеги утверждают, что в UHZ-1 они обнаружили новый вид небесных тел, который они называют галактикой со сверхмассивной чёрной дырой, или ГСЧД. По сути, ГСЧД - это молодая галактика, связанная с чёрной дырой, которая стала слишком большой слишком быстро.
Открытие этого квазара может помочь астрономам решить смежную загадку, которая мучает их уже несколько десятилетий. Почти у каждой галактики, видимой в современной Вселенной, похоже, есть в своём центре сверхмассивная чёрная дыра, в миллионы или миллиарды раз превосходящая по массе Солнце. Откуда взялись эти монстры? Могли ли обычные чёрные дыры так быстро вырасти?
Доктор Натараджан и её коллеги предполагают, что UHZ-1, как и, возможно, многие сверхмассивные чёрные дыры, возникли как первобытные облака. Эти облака могли сколлапсировать в ядра, которые были очень тяжёлыми - и этого оказалось достаточно, чтобы дать толчок росту сверхмассивных галактик с чёрными дырами. Это ещё одно напоминание о том, что Вселенная, которую мы видим, управляется невидимой геометрией тьмы.
"Как первый кандидат в ГСЧД, UHZ-1 предоставляет убедительные доказательства формирования тяжёлых первоначальных семян в результате прямого коллапса в ранней Вселенной", - написали доктор Натараджан и её коллеги. В электронном письме она добавила: "Похоже, природа создаёт семена чёрных дыр разными способами, не ограничиваясь только звёздной смертью!"
Дэниел Хольц, теоретик из Чикагского университета, изучающий чёрные дыры, сказал: "Прия обнаружила чрезвычайно интересную чёрную дыру, если это правда".
Он добавил: "Она просто слишком большая и слишком ранняя. Это всё равно что заглянуть в класс детского сада, а там среди всех пятилетних детей вдруг обнаружится один весом 80 кг и/или ростом метр восемьдесят".
Согласно истории, которую астрономы рассказывают себе об эволюции Вселенной, первые звёзды сконденсировались из облаков водорода и гелия, оставшихся после Большого взрыва. Они быстро и жарко сгорали, быстро взрывались и коллапсировали в чёрные дыры, в 10-100 раз более массивные, чем Солнце.
На протяжении веков из пепла предыдущих звёзд формировались следующие поколения звёзд, обогащая химический состав космоса. А чёрные дыры, оставшиеся после их гибели, продолжали сливаться и как-то расти, превращаясь в сверхмассивные чёрные дыры в центрах галактик.
Космический телескоп Джеймса Уэбба, запущенный два года назад на Рождество, был создан для проверки этой идеи. Он обладает самым большим зеркалом в космосе – 6,5 м в диаметре. Что ещё важнее, он был создан для регистрации инфракрасных волн света самых далёких и, следовательно, самых ранних звёзд во Вселенной.
Но как только новый телескоп нацелился на небо, в поле его зрения попали новые галактики, настолько массивные и яркие, что они опровергли ожидания космологов. Последние пару лет ведутся споры о том, не угрожают ли эти наблюдения давней модели космоса. Согласно этой модели, Вселенная состоит из незначительного количества видимой материи, поразительного количества "тёмной материи", которая обеспечивает гравитацию, удерживающую галактики вместе, и "тёмной энергии", раздвигающей эти галактики.
Открытие UHZ-1 представляет собой важный рубеж в этих спорах. В рамках подготовки к будущему наблюдению космическим телескопом Джеймса Уэбба массивного скопления галактик в созвездии Скульптора команда доктора Натараджана попросила предоставить ей время для работы на рентгеновской обсерватории НАСА "Чандра". Масса скопления действует как гравитационная линза, увеличивая объекты, находящиеся далеко позади него в пространстве и времени. Исследователи надеялись увидеть в рентгеновских лучах всё, что линза может вывести на поверхность.
Они обнаружили квазар, питаемый сверхмассивной чёрной дырой, которая в 40 миллионов раз массивнее Солнца. Дальнейшие наблюдения телескопа Уэбба подтвердили, что он находится на расстоянии 13,2 миллиарда световых лет. (Скопление Скульптор находится на расстоянии около 3,5 миллиарда световых лет.) Это был самый далёкий и самый ранний квазар, обнаруженный во Вселенной.
"Нам понадобился Уэбб, чтобы найти эту удивительно далёкую галактику, и Чандра, чтобы обнаружить её сверхмассивную чёрную дыру", - сказал Акос Богдан из Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института в пресс-релизе. "Мы также воспользовались преимуществами космической лупы, которая увеличила количество обнаруженного света".
Полученные результаты указывают на то, что сверхмассивные чёрные дыры существовали уже через 470 миллионов лет после Большого взрыва. Этого времени недостаточно, чтобы чёрные дыры, созданные первым поколением звёзд - от 10 до 100 солнечных масс - выросли до таких размеров.
Был ли другой способ для появления ещё больших чёрных дыр? В 2017 году доктор Натараджан предположила, что коллапсирующие облака первобытного газа могли породить чёрные дыры более чем в 10 000 раз массивнее Солнца.
"Затем уже можно представить, что одна из них впоследствии выросла в молодую, очень большую чёрную дыру", - сказал доктор Хольц. В результате, отметил он, "в каждый последующий момент истории Вселенной всегда будет существовать несколько удивительно больших чёрных дыр".
Доктор Натараджан сказала: "Тот факт, что они с самого начала оказываются очень массивными, подразумевает, что они, вероятно, в конечном итоге эволюционируют в сверхмассивные чёрные дыры". Но никто не знает, как это происходит. Чёрные дыры составляют 10% массы раннего квазара UHZ-1, в то время как они составляют менее одной тысячной процента массы современных галактик, таких как гигантская Messier 87, чью чёрную дыру оценили в 6,5 миллиарда солнечных масс, когда её сфотографировал телескоп Event Horizon Telescope в 2019 году.
Это говорит о том, что в процессе роста и эволюции этих галактик и их чёрных дыр доминировали сложные эффекты обратной связи с окружающей средой, которые привели к увеличению массы звёзд и газа.
"Так что, по сути, эти чрезвычайно ранние ГСЧД дают нам гораздо больше информации о физике зарождения подобных объектов, а не об их последующем росте и эволюции", - говорит доктор Натараджан. Она добавила: "Хотя они имеют важные последствия".
Доктор Хольц сказал: "Будет, конечно, здорово, если окажется, что всё так и есть, но я искренне настроен агностически". Он добавил: "Это будет захватывающая история, независимо от того, каков будет результат раскрытия тайны ранних больших чёрных дыр".
