Считалось, что черные дыры возникают в результате коллапса мертвых звезд. Но изображение телескопа Уэбба, показывающее раннюю Вселенную, намекает на альтернативный путь.
Сколько существует способов покинуть эту вселенную?
Возможно, самый известный выход связан со смертью звезды. Роберт Оппенгеймер и его студент Хартленд Снайдер из Калифорнийского университета в Беркли предсказали, что когда у достаточно массивной звезды заканчивается термоядерное топливо, она сжимается внутрь и продолжает сжиматься вечно, сжимая пространство, время и свет вокруг себя в то, что сегодня называется черной дырой.
Но оказывается, что для образования черной дыры может и не понадобиться мертвая звезда. Вместо этого, по крайней мере в ранней Вселенной, гигантские облака первичного газа могли коллапсировать непосредственно в черные дыры, минуя миллионы лет, проведенных в звездном царстве.
К такому предварительному выводу недавно пришла группа астрономов, изучающих UHZ-1, пятнышко света, появившееся вскоре после Большого взрыва. На самом деле UHZ-1 является (или был) мощным квазаром, который извергал огонь и рентгеновские лучи из чудовищной черной дыры 13,2 миллиарда лет назад, когда Вселенной не было и 500 миллионов лет.
С космической точки зрения, это необычно скоро для того, чтобы столь массивная черная дыра возникла в результате коллапса и слияния звезд. Приямвада Натараджан, астроном из Йельского университета и ведущий автор статьи, опубликованной в Astrophysical Journal Letters, и ее коллеги утверждают, что в UHZ-1 они обнаружили новый небесный вид, который они называют сверхмассивной галактикой с черными дырами, или O.B.G. По сути, O.B.G. – это молодая галактика, закрепленная черной дырой, которая слишком быстро стала слишком большой.
Открытие этого не по годам развитого квазара могло бы помочь астрономам решить связанную с этим загадку, которая мучила их на протяжении десятилетий. Почти каждая галактика, видимая в современной Вселенной, похоже, содержит в своем центре сверхмассивную черную дыру в миллионы или миллиарды раз массивнее Солнца. Откуда взялись эти монстры? Могли ли обычные черные дыры стать такими большими и так быстро?
Доктор Натараджан и ее коллеги предполагают, что UHZ-1, а следовательно, возможно, и многие сверхмассивные черные дыры, возникли как первичные облака. Эти облака могли коллапсировать в ядра, которые были необычайно тяжелыми — и их было достаточно, чтобы дать толчок росту сверхмассивных галактик с черными дырами. Они являются еще одним напоминанием о том, что Вселенная, которую мы видим, управляется невидимой геометрией тьмы.
“Как первый кандидат в О.Б.Г., UHZ-1 предоставляет убедительные доказательства образования тяжелых начальных частиц в результате прямого коллапса в ранней Вселенной”, – написали доктор Натараджан и ее коллеги. В электронном письме она добавила: “Природа, похоже, действительно создает семена Черной дыры многими способами, помимо простой звездной смерти!”
Дэниел Хольц, теоретик из Чикагского университета, изучающий черные дыры, сказал: “Прия обнаружила чрезвычайно интересную черную дыру, если это правда”.
Он добавил: “Это просто слишком рано. Это все равно что заглянуть в класс детского сада, и там среди всех 5-летних есть один, который весит 150 фунтов и / или шесть футов ростом”.
Согласно истории, которую астрономы рассказывают сами себе об эволюции Вселенной, первые звезды сконденсировались из облаков водорода и гелия, оставшихся после Большого взрыва. Они горели жарко и быстро, быстро взрываясь и коллапсируя в черные дыры в 10-100 раз массивнее Солнца.
На протяжении эпох из пепла предыдущих звезд формировались последующие поколения звезд, обогащая химию космоса. И черные дыры, оставшиеся после их гибели, продолжали каким-то образом сливаться и расти, превращаясь в сверхмассивные черные дыры в центрах галактик.
Космический телескоп Джеймса Уэбба, запущенный два года назад в это Рождество, был разработан для проверки этой идеи. Он обладает самым большим зеркалом в космосе – 21 фут в диаметре. Что еще более важно, он был разработан для регистрации инфракрасных длин волн света самых далеких и, следовательно, самых ранних звезд во Вселенной.
Но как только новый телескоп был направлен на небо, он заметил новые галактики, настолько массивные и яркие, что они превзошли ожидания космологов. Последние пару лет бушевали споры о том, действительно ли эти наблюдения угрожают устоявшейся модели космоса. Модель описывает Вселенную как состоящую из небольшого количества видимой материи, поразительного количества “темной материи”, которая обеспечивает гравитацию, удерживающую галактики вместе, и “темной энергии”, раздвигающей эти галактики.
Открытие UHZ-1 представляет собой переломный момент в этих дебатах. В рамках подготовки к будущему наблюдению космическим телескопом Джеймса Уэбба массивного скопления галактик в созвездии Скульптора команда доктора Натараджана попросила время в рентгеновской обсерватории НАСА “Чандра”. Масса скопления действует как гравитационная линза, увеличивающая объекты, находящиеся далеко позади него в пространстве и времени. Исследователи надеялись получить представление в рентгеновских лучах о том, что может попасть в поле зрения линзы.
То, что они обнаружили, было квазаром, питаемым сверхмассивной черной дырой, примерно в 40 миллионов раз превышающей массу Солнца. Дальнейшие наблюдения с помощью телескопа Уэбба подтвердили, что он находится на расстоянии 13,2 миллиарда световых лет. (Скопление Скульптор находится на расстоянии около 3,5 миллиардов световых лет.) Это был самый удаленный и ранний квазар, обнаруженный во Вселенной.
“Нам нужен был Уэбб, чтобы найти эту удивительно далекую галактику, и Чандра, чтобы найти ее сверхмассивную черную дыру”, – сказал Акос Богдан из Центра астрофизики Гарварда и Смитсоновского института в пресс-релизе. “Мы также воспользовались космическим увеличительным стеклом, которое увеличило количество обнаруженного нами света”.
Результаты показывают, что сверхмассивные черные дыры существовали уже через 470 миллионов лет после Большого взрыва. Этого времени недостаточно, чтобы позволить черным дырам, созданным первым поколением звезд — начиная с масс от 10 до 100 солнечных — вырасти настолько большими.
Был ли другой способ создать черные дыры еще большего размера? В 2017 году доктор Натараджан предположил, что коллапсирующие облака первичного газа могли породить черные дыры более чем в 10 000 раз массивнее Солнца.
“Затем вы можете представить, как одна из них впоследствии превращается в эту молодую, не по годам крупную черную дыру”, – сказал доктор Хольц. В результате, отметил он, “в каждый последующий момент истории Вселенной всегда будет несколько удивительно больших черных дыр”.
Доктор Натараджан сказал: “Тот факт, что они начинают свою жизнь сверхмассивными, подразумевает, что они, вероятно, в конечном итоге эволюционируют в сверхмассивные черные дыры”. Но никто не знает, как это работает. Черные дыры составляют 10 процентов массы раннего квазара UHZ-1, в то время как они составляют менее одной тысячной процента массы современных галактик, таких как гигантская галактика Мессье 87, чья черная дыра весила 6,5 миллиардов солнечных масс, когда ее сфотографировал телескоп. Телескоп “Горизонт событий” в 2019 году.
Это говорит о том, что сложные эффекты обратной связи с окружающей средой доминируют в росте и эволюции этих галактик и их черных дыр, вызывая увеличение их массы в звездах и газе.
“Таким образом, по сути, эти чрезвычайно ранние O.B.G. действительно передают гораздо больше информации о физике зародыша и освещают ее, а не о более позднем росте и эволюции”, – сказала доктор Натараджан. Она добавила: “Хотя они имеют важные последствия”.
Доктор Хольц сказал: “Конечно, было бы здорово, если бы оказалось, что это именно то, что происходит, но я искренний агностик”. Он добавил: “Это будет захватывающая история, независимо от того, как мы разгадаем тайну ранних больших черных дыр”.
