1005
Загадкові «малі червоні цятки» (Little Red Dots, LRD), які космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST) знаходить у ранньому Всесвіті, можуть бути новим типом об’єктів — так званими «зорями чорних дір». На це вказує нове дослідження, опубліковане в Nature і описане виданням Universe Today.
LRD — це компактні дуже червоні об’єкти, що існували приблизно між 600 мільйонами і 1,6 мільярда років після Великого вибуху. Відомо вже близько 300 таких джерел, і їхні властивості не вписуються в стандартні уявлення про формування галактик і надмасивних чорних дір (SMBH) у молодому Всесвіті.
Що таке «зорі чорних дір»
Раніше вчені припускали, що LRD можуть бути ранніми активними ядрами галактик із надмасивними чорними дірами, зорями першого покоління з дуже низьким вмістом металів або взагалі новим типом зоряних об’єктів. Але жодна з гіпотез повністю не узгоджувалася зі спостереженнями.
Нове дослідження пропонує іншу інтерпретацію: LRD — це чорні діри, занурені в надщільний газовий кокон. Автори назвали такі об’єкти «зорями чорних дір». Це надмасивні чорні діри, світло від яких проходить не крізь звичний пиловий акреційний диск, а крізь товсту оболонку водню, що й надає випромінюванню глибокого червоного відтінку.
На думку дослідників, саме такі об’єкти можуть пояснити ще одну загадку JWST — надто масивні надмасивні чорні діри, виявлені вже в перші сотні мільйонів років після Великого вибуху.
У сучасному Всесвіті маса SMBH зазвичай становить близько 0,1–0,5% від зоряної маси галактики. Але JWST знайшов об’єкти, де чорна діра досягає 10–30% зоряної маси своєї галактики. Це або помилка в оцінках, або в ранньому Всесвіті діяли надзвичайно ефективні механізми росту чорних дір.
Об’єкт MoM-BH*-1: найглибший «балмерівський розрив»
Ключем до нової інтерпретації став об’єкт MoM-BH*-1, виявлений у надглибокому огляді JWST (UDS). Це було найчервоніше джерело в полі огляду, тому його обрали для детальніших спостережень у програмі «Mirage or Miracle» (MoM).
Спектроскопія MoM-BH*-1 показала унікальний набір ознак: один із найбільших відомих «балмерівських розривів» у спектрі водню, широку багатопікову емісію лінії Hβ та поглинання в кількох балмерівських переходах. Такі характеристики є чутливими індикаторами поведінки водню й зазвичай використовуються для оцінки віку галактик і історії зореутворення.
Глибина балмерівського розриву в MoM-BH*-1 виявилася рекордною: падіння потоку світла становить близько 7,7 раза, тоді як у добре вивченої зорі Вега — лише приблизно 2,6 раза. Це практично виключає пояснення через «звичайні» зорі й натякає на щось значно екстремальніше.
Автори інтерпретують це як ознаку надщільної газової оболонки навколо надмасивної чорної діри. Ця оболонка поводиться подібно до зовнішніх шарів і вітрів зір, але масштаби набагато більші, а джерелом енергії є не термоядерний синтез, а акреція на чорну діру.
Чому ці об’єкти такі червоні
Зазвичай, коли астрономи бачать дуже червоне джерело, вони підозрюють пил: дрібні частинки, які розсіюють і поглинають світло, роблячи його червонішим, подібно до того, як дим від лісових пожеж змінює колір неба.
Однак спектр MoM-BH*-1 показує іншу картину. Світло взаємодіє не з пиловим диском, а з щільним коконом водню. Моделювання показало, що настільки сильне почервоніння можна отримати й без пилу — якщо навколо джерела є надзвичайно щільний шар водню, який більше нагадує поверхню гігантської зорі, ніж розріджену туманність.
Саме це й привело до терміна «зоря чорної діри». Світло походить від матеріалу, що падає на чорну діру, але проходить крізь газову оболонку, яка надає йому зореподібних спектральних рис. При цьому яскравість об’єкта колосальна — приблизно у 100 мільярдів разів вища, ніж у звичайної зорі, тож живити її термоядерний синтез не може. Таку потужність легко забезпечує надмасивна чорна діра.
За оцінками дослідників, чорна діра в MoM-BH*-1 має масу близько 100 000 сонячних мас. Вони моделюють її як надмасивну чорну діру на ранній стадії еволюції, занурену в надщільний, турбулентний газ без пилу. Така конфігурація відповідає теоретичним сценаріям швидкого росту чорних дір через супереддінгтонівське акреціювання.
Швидкий ріст чорних дір і переоцінені маси
Еддінгтонівська межа описує максимальну світність об’єкта, коли тиск випромінювання врівноважує гравітаційне притягання. Вона обмежує швидкість акреції. Якщо цей ліміт перевищено, говорять про супереддінгтонівське акреціювання — саме його давно підозрювали як механізм надшвидкого росту ранніх SMBH.
MoM-BH*-1 також допоміг переосмислити маси LRD. Він розташований поруч із яскравішою галактикою, з якою, ймовірно, зіллється приблизно за 100 мільйонів років. Коли дослідники наклали спектри обох об’єктів один на одного, їхня сума виявилася дуже схожою на спектри типових LRD.
Це означає, що багато малих червоних цяток можуть бути поєднанням «зорі чорної діри» та звичайної молодої галактики-господаря. У такому разі маси чорних дір у LRD, які раніше оцінювалися за спрощеними моделями, могли бути завищені на порядки величини.
Автори роботи вказують, що червоність цих об’єктів зумовлена газом, а не пилом, а складні форми спектральних ліній виникають через розсіяння, а не через рухи газу в диску. Це змінює інтерпретацію спостережень і зменшує необхідність у надто «важких» чорних дірах на ранніх етапах еволюції Всесвіту.
Що далі з малими червоними цятками
За останні два-три роки про LRD опубліковано вже сотні наукових робіт. Нова інтерпретація у вигляді «зорі чорних дір» може об’єднати багато розрізнених результатів, але робити остаточні висновки ще рано.
Потрібні додаткові спостереження інших подібних об’єктів, які також можна пояснити моделлю газового кокона навколо чорної діри. Поки що всі відомі малі червоні цятки узгоджуються з тим, щоб бути «зорями чорних дір», вбудованими в звичайні ранні галактики. Особливість MoM-BH*-1 у тому, що його чорна діра майже повністю затьмарює світло своєї галактики-господаря, тож астрономи бачать майже «чисте» випромінювання зорі чорної діри.
Малі червоні цятки JWST виявилися «зорями чорних дір» з’явилася спочатку на Цікавості.
