Новый объект раскрывает секрет "маленьких красных точек" в ранней Вселенной

Международная группа астрономов под руководством ученых из Института науки и технологий Австрии (ISTA) и Гавайского университета обнаружила уникальный космический объект, получивший название «черная дыра-звезда». Он существовал всего через 660 миллионов лет после Большого взрыва и представляет собой сверхмассивную черную дыру на ранней стадии роста, окруженную плотным газом без пыли. Исследование опубликовано в журнале Nature, а его результаты могут объяснить природу загадочных «маленьких красных точек», которые ранее находили в данных телескопа Джеймс Уэбб.

Астрономы уже несколько десятилетий бьются над загадкой: как в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва успели появиться черные дыры массой в миллионы Солнц? В нашей локальной Вселенной такие гиганты растут миллиарды лет, поглощая газ и сливаясь с другими черными дырами. Но в ранней Вселенной времени для этого было катастрофически мало. Некоторые квазары, возрастом более 12 миллиардов лет, выглядели настолько массивными, что их прозвали «проблемными». Они словно нарушали все правила космической эволюции.

Чтобы разобраться в этом, команда под руководством Йоррита Матте и Рохана Найду запустила специальный обзор неба под названием «Мираж или чудо». Название говорящее: исследователи намеренно искали объекты, которые могли оказаться как открытиями, так и банальными помехами, например, холодными звездами на переднем плане, маскирующимися под далекие галактики. В рамках этого же проекта, кстати, была найдена самая далекая из подтвержденных галактик, MoM-z14.

Звезда, черная дыра и звезда-черная дыра. Звезды, подобные нашему Солнцу (слева), можно представить как плотный газовый шар, работающий за счет ядерного синтеза. Черные дыры (в центре) обычно растут, поглощая материю через похожие на блин аккреционные диски. Звезды—черные дыры (справа) представляют собой новый вид астрофизических объектов — черные дыры, окутанные плотным газом, который позволяет им эффективно излучать подобно звездам. Плотная газовая оболочка придает черной дыре звездоподобные свойства. Звезды с черными дырами >в 100 000 раз больше Солнца (~1000 а.е. против ~0,01 а.е.), но по размеру они напоминают аккреционные диски черных дыр. © Рохан Найду (Гавайский университет)

И вот среди этих целей им попался объект MoM-BH*-1. Свет от него шел до нас 13 миллиардов лет, то есть мы видим его в ту эпоху, когда Вселенной было всего 660 миллионов лет, это примерно 5% от ее нынешнего возраста. Если представить космическую историю как один день, то мы смотрим на самое раннее утро.

Что же делает этот объект уникальным? Когда астрономы разложили его свет в спектр (то есть посмотрели, из каких цветов и линий он состоит), они увидели характерный «скачок» в синей части, так называемый бальмеровский разрыв. Такие разрывы обычно бывают у звезд, но у MoM-BH*-1 он оказался необычайно сильным, гораздо мощнее, чем у обычных звездных галактик. И вот тут начинается самое интересное.

Раньше, когда находили «маленькие красные точки», считалось, что они красные из-за пыли, как если бы мы смотрели на яркий объект сквозь задымленное стекло. Но у нового объекта пыли почти нет. Вместо этого его окружает сверхплотный газ, который рассеивает свет точно так же, как земная атмосфера рассеивает солнечные лучи на закате: синие и голубые волны уходят в стороны, а до нас доходят красные и оранжевые. При этом газ не затемняет объект, он лишь меняет его цвет, оставляя «картинку» четкой. Это позволило ученым впервые увидеть центральную часть такого объекта практически без помех.

Звезда-черная дыра MoM-BH*-1 глазами JWST — Черная дыра-звезда MoM-BH*-1 глазами JWST. Космический телескоп Джеймс Уэбб (JWST) сделал снимки, на которых “Черная дыра-звезда” выделяется как “Маленькая красная точка”. Такие маленькие красные точки встречаются чрезвычайно часто, в среднем по одной на каждом таком изображении. Каждая маленькая красная точка может быть источником энергии звезды-черной дыры. Изображение представляет собой комбинацию цветов RGB, в которой невидимые глазу инфракрасные волны отображаются на красный (4,4 микрона, NIRCam/F444W), зеленый (2,7 микрона, NIRCam/f277w) и синий (1,5 микрона, NIRCam/f150w) цвета. © ИЗОБРАЖЕНИЕ: NASA, ESA, CSA, STScI, архив DAWN JWST, ПЕРВИЧНЫЙ обзор (фото: Джеймс Данлоп); Визуализация: Рохан Найду (Гавайский университет)

И тут выяснилась интересная вещь: MoM-BH*-1 излучает почти весь свой свет сам, а не за счет окружающей галактики. В других подобных объектах свет от черной дыры и свет от звезд в галактике перемешаны, и их трудно разделить. Здесь же вклад галактики-хозяйки ничтожно мал, ученые видят практически чистый «двигатель»: черную дыру, которая только начинает расти.

Как же она может расти так быстро? Дело в том, что плотный газ вокруг нее позволяет ей поглощать вещество с огромной скоростью, в режиме так называемой суперэддингтоновской аккреции. Обычно черная дыра не может «есть» быстрее определенного предела, иначе давление излучения отбрасывает газ обратно. Но если газ очень плотный и турбулентный, он создает своеобразный «кокон», который удерживает вещество и позволяет дыре набирать массу рекордными темпами. Теоретики предсказывали такой механизм давно, но впервые он увиден воочию.

Дальше еще любопытнее. Рядом с MoM-BH*-1 ученые заметили более яркую соседнюю галактику. Расчеты показывают, что они сольются примерно через 100 миллионов лет. Если сложить спектры обоих объектов — черной дыры-звезды и той соседней галактики, получится сигнал, который до мельчайших деталей копирует спектр тех самых «маленьких красных точек», которые раньше были загадкой.

Это наблюдение стало поворотным. Команда астрономов предположила, что «маленькие красные точки» — это на самом деле двойные системы: молодая сверхмассивная черная дыра в плотной газовой оболочке плюс обычная галактика-хозяин. Именно их совместное свечение и дает тот самый красноватый оттенок и необычный спектр. А MoM-BH*-1 это редкий случай, когда мы видим только черную дыру без помех, как «шаблон» или «эталон» для всех остальных.

Смотрите также:

Ранее, в марте 2025 года на сервере препринтов arXiv появилась новость о похожем объекте, найденном в эпоху «космического полудня», когда Вселенной было уже 2–3 миллиарда лет и шел пик звездообразования. А вскоре вышла статья в журнале ApJ Letters, где ученые описали еще один такой объект, но уже в более близкую эпоху, используя данные очень большого телескопа Европейской южной обсерватории. Эти находки подтвердили, что «черные дыры-звезды» не случайность ранней Вселенной, а реальный класс объектов, хотя в поздние времена они встречаются намного реже.

Теперь у астрономов появляется инструмент для пересмотра старых теорий. Раньше модели роста сверхмассивных черных дыр не учитывали возможность столь быстрого набора массы за счет газовых оболочек без пыли. Теперь эти модели придется менять, и новые расчеты уже ведутся. Особенно важно, что за последние два-три года вышло почти тысяча научных работ и препринтов, посвященных «маленьким красным точкам». Открытие MoM-BH*-1 дает им общую основу и направление для дальнейших поисков.

По сути, ученые впервые увидели «детеныша» сверхмассивной черной дыры в его самом чистом виде, без примеси света от родительской галактики. Это позволило сопоставить его с сотнями загадочных красных объектов из архивов Уэбба и показать, что те, скорее всего, являются такими же дырами, но уже «одетыми» в звездное окружение. Открытие не решает всех вопросов, но дает надежную отправную точку для понимания того, как гигантские черные дыры умудрялись вырастать за считанные сотни миллионов лет, и это, по словам самих авторов, выглядит уже не миражом, а самым настоящим космическим чудом.