Спектр «маленькой красной точки» раскрыл природу загадочных объектов ранней Вселенной

Группа астрономов из Техасского университета в Остине проанализировала самый глубокий на сегодняшний день спектр загадочного объекта, известного как «маленькая красная точка» GLIMPSE-17775, полученный космическим телескопом Джеймс Уэбб. Исследователи обнаружили, что этот объект представляет собой сверхмассивную черную дыру, окруженную плотным коконом из частично ионизированного газа, — модель, получившую название «черная дыра-звезда» (BH*). Результаты этой работы были опубликованы в журнале The Astrophysical Journal.

Тайна, появившаяся вскоре после Большого взрыва

Когда в 2022 году космический телескоп Джеймс Уэбб только начал свою научную программу, он быстро преподнес астрономам сюрприз. В самых далеких уголках Вселенной телескоп обнаружил множество крошечных красных объектов. Они существовали уже через 600 миллионов лет после Большого взрыва — космическое мгновение, если сравнить с нынешним возрастом Вселенной в 13,8 миллиарда лет. Эти объекты, названные «маленькими красными точками», выглядели столь необычно, что ученые заспорили об их природе.

Одна из гипотез, получившая название сценария BH* (от английского black hole star — черная дыра-звезда), предполагала, что перед нами не обычные галактики, а быстрорастущие сверхмассивные черные дыры, укутанные в плотные газовые коконы. Однако до недавнего времени ни одна из моделей не имела достаточно доказательств, чтобы убедить научное сообщество.

Счастливое совпадение и увеличительное стекло природы

История GLIMPSE-17775 началась с удачи. Этот объект случайно попал в поле зрения Уэбба во время программы наблюдений, нацеленной на поиск древнейших звезд и слабых галактик в скоплении Abell S1063. Но настоящим подарком судьбы оказалось то, что GLIMPSE-17775 расположена далеко за этим скоплением, и массивное скопление галактик действовало как гигантское гравитационное увеличительное стекло, явление, известное как гравитационное линзирование.

Благодаря этому природному телескопу, 30-часовые наблюдения Уэбба превратились в эквивалент 80 часов работы. Астрономы получили спектр такой глубины и детальности, какого еще никогда не было для «маленьких красных точек». В нем оказалось более 40 спектральных линий, своеобразных отпечатков пальцев, по которым можно определить химический состав, физические условия и процессы, происходящие в объекте.

Исследователи сравнивают этот процесс с разбросанными по полу кусочками пазла. «Мы подняли каждый кусочек, измерили линии и начали соединять разные части в мозаику. Возможно, некоторые кусочки сначала казались пустыми, но потом пара из них соединилась, и мы поняли, что там что-то есть».

Первое, что заметила команда, — многие линии, включая водородные, кислородные и гелиевые, не укладывались в простую картину вращающегося газового облака. Вместо этого они указывали на наличие эффекта расширения, вызванного рассеянием электронов. Это прямое свидетельство того, что GLIMPSE-17775 окружена плотным слоистым газовым коконом.

Железный лес и другие улики

Среди более чем 40 обнаруженных линий особое место заняли 16 линий железа, которые исследователи назвали «железным лесом». Интенсивность этих линий и их соотношение с линиями кислорода требуют для своего объяснения наличия мощного источника высокоэнергетического излучения. Идеальный кандидат на эту роль это быстро аккрецирующая, то есть активно поглощающая вещество, черная дыра.

Кроме того, спектр показал флуоресценцию и поглощение гелия, явления, которые сами по себе говорят о том, что вокруг мощного источника находится очень плотная среда. Эта же плотная газовая оболочка объясняет, почему большинство «маленьких красных точек» выглядят тусклыми в рентгеновском диапазоне: любое рентгеновское излучение из окрестностей черной дыры просто поглощается газовым коконом, не долетая до наших телескопов.

Недостающий фрагмент и галактика-хозяин

В головоломке GLIMPSE-17775 был один пробел, связанный с так называемым бальмеровским изломом — резким падением интенсивности света на определенной длине волны, характерным для многих «маленьких красных точек». Чтобы заполнить этот пробел, команда обратилась к данным космического телескопа Хаббл, полученным в рамках программ Frontier Fields и BUFFALO.

Совместный анализ данных Уэбба и Хаббла показал, что бальмеровский излом в GLIMPSE-17775 слабее обычного, потому что объект окружен гигантской галактикой-хозяином. Звезды этой галактики дают избыток синего света, который частично компенсирует падение интенсивности. Это открытие не противоречит модели плотного газового кокона, а наоборот, дополняет ее.

Космология не нарушена

Когда Уэбб впервые показал «маленькие красные точки», некоторые исследователи заговорили о «нарушенной космологии». Казалось, что галактики в ранней Вселенной достигли таких размеров слишком быстро, чтобы это можно было объяснить существующими теориями. Однако новая работа ученых показывает, что никакого нарушения нет.

Масса черной дыры в GLIMPSE-17775 не обязательно должна быть чудовищной, чтобы объяснить широкие эмиссионные линии, видимые в спектре. Все наблюдаемые особенности прекрасно объясняются в рамках стандартной космологической модели.

Таким образом, GLIMPSE-17775 стала первой «маленькой красной точкой», для которой удалось собрать полный набор доказательств в поддержку модели черной дыры, окруженной плотным газовым коконом. Более 40 спектральных линий, эффекты рассеяния электронов, железный лес линий, флуоресценция гелия и данные о галактике-хозяине — все эти фрагменты сложились в единую картину, подтверждающую сценарий BH*. Хотя исследователи признают, что существуют и альтернативные теории, работа открывает путь к окончательному пониманию природы этих загадочных объектов, и ответ может быть получен уже в ближайшие несколько лет.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях