Загадочные «красные точки» могут быть атмосферами черных дыр

Космический телескоп Джеймс Уэбб (JWST), самый мощный из когда-либо запущенных в космос, продолжает революционизировать наше понимание ранней Вселенной. Одним из самых интригующих открытий, сделанных с его помощью, стали так называемые «маленькие красные точки» (little red dots) — крошечные, но чрезвычайно яркие объекты, обнаруженные в глубоких полях наблюдения, соответствующих временному диапазону всего через 500–700 миллионов лет после Большого взрыва. Первоначально ученые предполагали, что эти объекты представляют собой древние галактики, столь же зрелые, как современный Млечный Путь, что уже само по себе бросало вызов существующим моделям формирования галактик. Однако новое исследование международной группы астрономов, предлагает радикально иное объяснение: эти загадочные точки могут быть не галактиками, а совершенно новым классом небесных тел — объектами, которые можно охарактеризовать как «черные дыры-звезды».

С момента начала работы JWST в 2022 году астрономы начали замечать объекты, слишком массивные и яркие для своей эпохи. Согласно стандартным космологическим моделям, в столь ранний период Вселенная еще не успела сформировать крупные структуры. Тем не менее, телескоп зафиксировал множество компактных, но чрезвычайно светящихся красных источников, которые выглядели как зрелые системы со значительным количеством старых звезд. Это привело к тому, что некоторые из них получили неофициальное название «разрушители вселенной» — из-за того, что их существование ставило под сомнение основы современной астрофизики.

Джоэл Лея, доцент кафедры астрофизики Университета штата Пенсильвания и один из авторов исследования, отметил, что первоначальная интерпретация этих объектов как плотных скоплений холодных звезд внутри молодых галактик столкнулась с серьезными трудностями. Если бы это были обычные галактики, то их звездная плотность должна была бы быть настолько высокой, что ночное небо в такой системе было бы ослепительно ярким. Бинцзе Ван, научный сотрудник NASA Hubble в Принстоне подчеркнул, что такое распределение материи требует механизмов звездообразования, которые ранее никогда не наблюдались и не предсказывались теорией.

Чтобы разрешить эту загадку, исследователи обратились к спектроскопическим данным — наиболее информативному способу анализа далеких объектов. С января по декабрь 2024 года команда потратила почти 60 часов наблюдательного времени JWST, собрав спектры более чем 4500 далеких галактик. Это стало одним из самых масштабных спектроскопических обзоров, проведенных с помощью телескопа. В июле 2024 года среди этого массива данных был обнаружен особенно экстремальный объект, получивший прозвище «The Cliff»  (Утес или скала, RUBIES-UDS-154183). Его спектр указывал на невероятную массу и необычные физические характеристики, что сделало его ключевым образцом для дальнейшего анализа.

Анализ показал, что свет, приходящий от объекта, не может быть объяснен совокупностью множества отдельных звезд. Вместо этого данные свидетельствуют о наличии одного гигантского объекта, окруженного плотной атмосферой из холодного газа. При этом источник энергии — не термоядерный синтез, как в обычных звездах, а процесс аккреции материи на сверхмассивную черную дыру в центре. Этот объект, по всей видимости, представляет собой гигантскую сферу горячего, но оптически холодного газа, чье свечение в красном и ближнем инфракрасном диапазоне напоминает излучение маломассивных холодных звезд, однако по своей природе он принципиально иной.

Интересно, что обычно газ, падающий на черные дыры, разогревается до миллионов градусов и испускает рентгеновское или ультрафиолетовое излучение. Однако в случае «красных точек» преобладает именно холодное излучение, что указывает на уникальные условия вокруг этих объектов. Исследователи предполагают, что такие системы могли возникнуть в условиях крайне высокой плотности газа в ранней Вселенной, где черные дыры формировались не в результате коллапса звезд, а напрямую из гигантских облаков газа — так называемый механизм прямого коллапса. Эти черные дыры быстро начали поглощать окружающую материю, создавая вокруг себя плотные, светящиеся оболочки, внешне напоминающие звезды, но по сути являющиеся гибридами — одновременно и звездоподобными объектами, и активными ядрами ранних галактик.

По словам Анны де Граафф из Института астрономии Общества Макса Планка, экстремальные свойства «Скалы» заставили команду пересмотреть все существующие модели. Такие объекты могут оказаться недостающим звеном в понимании происхождения сверхмассивных черных дыр, которые сегодня находятся в центрах большинства крупных галактик, включая Млечный Путь. До сих пор оставалось неясным, как черные дыры достигли таких огромных масс за относительно короткое время после Большого взрыва. Предложенная модель предлагает ответ: они могли начать свою жизнь как «звезды на основе черных дыр» — объекты, где центральная черная дыра работает как двигатель, питающий светящуюся внешнюю оболочку, эффективно ускоряя накопление массы.

Исследователи подчеркивают, что JWST уже обнаружил признаки наличия массивных черных дыр в ранней Вселенной, и эти новые объекты могут стать ключом к пониманию их эволюции. Они не просто выбросы или артефакты наблюдений, а, возможно, первый этап формирования тех самых сверхмассивных черных дыр, которые мы наблюдаем сегодня. Команда планирует продолжить исследования, чтобы изучить плотность газа, темпы аккреции и другие параметры этих объектов, что позволит проверить гипотезу и уточнить их место в космической иерархии.

Важно понимать, что свет от этих объектов шел до Земли почти 12 миллиардов лет. Из-за их малого углового размера получить четкие изображения крайне сложно, даже для такого передового инструмента, как JWST. Тем не менее, именно сочетание высокой чувствительности телескопа и новых методов анализа позволило выделить эти объекты из общего фона.

Джоэл Лея отмечает, что, хотя предложенная модель пока является гипотезой, она лучше всего согласуется с имеющимися данными. Она объясняет и яркость, и красный цвет, и отсутствие признаков множества отдельных звезд. Это, по его словам, «элегантный ответ» на сложную загадку. При этом ученый подчеркивает, что ошибаться — естественная часть научного процесса. Вселенная, как показывает история астрономии, постоянно преподносит сюрпризы, заставляя пересматривать самые устоявшиеся представления.

Открытие «красных точек» и их возможная интерпретация как черных дыр-звезд знаменует собой новый этап в изучении ранней Вселенной. Оно не только бросает вызов существующим теориям, но и открывает возможность для создания новых моделей формирования галактик и черных дыр.