Загадкові маленькі червоні цятки на знімках телескопа James Webb можуть виявитися чорними дірами, навколо яких газ накопичується швидше, ніж падає всередину. Такий висновок випливає з комп’ютерного моделювання раннього Всесвіту, яке створювали зовсім для іншої мети, але ці об’єкти з’явились у ньому самі собою, без підлаштування параметрів під них. Той самий механізм пояснює, як перші надмасивні чорні діри встигли набрати величезну масу за короткий час.
Незвично масивний старт
Спостереження за допомогою телескопа James Webb поставили перед астрономами дві задачі без очевидного розв’язку. Перша стосується надмасивних чорних дір, у мільярди разів важчих за Сонце, які вже існували, коли Всесвіт мав менше десятої частини нинішнього віку. Чорна діра, що лишається після колапсу однієї зорі, не встигла б так вирости навіть через падіння газу і злиття, тому звичні сценарії тут не працюють. Не менш дивними виглядають маленькі червоні цятки, компактні джерела зі спектром, у якому різко переважають довгі червоні хвилі, у період від 600 мільйонів до мільярда років космічної історії.
У моделюванні, результати якого опублікував рецензований журнал Nature, чорні діри починали зростання з набагато більшої маси. Його виконала група Санмьона Чона з Інституту астрофізики Макса Планка разом із колегами з Токійського університету та університетів Канагава і Тіба. Ультрафіолетове випромінювання сусідньої галактики з бурхливим формуванням світил не давало хмарі поруч розпастися на дрібні згустки. Газ встигав зібратися у великій кількості і врешті колапсував у надмасивні зорі по кілька сотень тисяч сонячних мас.
Приблизно через два мільйони років від гігантів лишилися чорні діри близько мільйона мас Сонць кожна. Чорні діри із залишків першого покоління зір у тій самій моделі стартували лише з 800 сонячних мас.
Через 650 мільйонів років після Великого вибуху ці об’єкти важили вже приблизно 30 мільйонів мас Сонця. Це всемеро більше, ніж у Стрільця A*, центральної чорної діри Чумацького Шляху, яка приблизно в 4 мільйони разів масивніша за наше світило.
Надлишок газу
Молоді галактики отримували величезні потоки щільного газу, і значна його частина прямувала до центру. Коли речовина надходить до чорної діри надто швидко, вона не встигає впасти за горизонт подій і закручується навколо, бо зберігає обертальний рух. Так утворюється масивна непрозора оболонка, крізь яку світло не проходить напряму.
Зазвичай швидкість росту чорної діри обмежує її власне випромінювання, яке розштовхує довколишнє середовище. Всередині оболонки частина фотонів затримується і рухається всередину разом із падаючою матерією. Тому менш ніж за мільйон років маса зростала в кілька або й кілька десятків разів швидше за так звану еддінгтонівську межу.
Таку конфігурацію, тобто чорну діру всередині велетенського газового кокона, теоретики називають квазізорею. За словами Санмьона Чона, у космологічному моделюванні вона вперше сформувалася природним шляхом. Науковець також розповів Space.com, що розрахунок створювали для вивчення походження перших масивних чорних дір, а червоних точок від нього ніхто не чекав.
Чому цятки червоні
Колір і широкі лінії водню, характерні для цих компактних джерел, у моделі мають просте пояснення. Випромінювання, що виникає поблизу чорної діри, мусить пройти крізь оболонку, тож дорогою його довжини хвиль змінюються. Розсіювання на вільних електронах робить ці спектральні особливості ще ширшими, як і в реальних спостереженнях.
Фаза, коли оболонка найщільніша і майже не пропускає світла, триває від ста тисяч до мільйона років. Потім вона розріджується, і чорна діра постає як звичайніше активне ядро галактики, тобто компактне центральне джерело, яке сяє завдяки падінню речовини.
Питання для теоретиків
Моделювання не пояснює, чому маленькі червоні цятки зникають у пізніші епохи. Розрахунок охоплює лише одну ділянку раннього Всесвіту і не враховує струменів плазми та вітрів, якими чорна діра викидає частину речовини назовні, тому отримана швидкість росту радше показує верхню межу можливого.
Далі група хоче перевірити, чи повторюється сценарій за інших стартових умов, і підготувати передбачення для звірки з новими даними James Webb. Спостереження маленьких червоних точок накопичуються так швидко, що теоретикам тепер доводиться встигати за ними з прогнозами.
