Три подсказки JWST к разгадке быстрого роста первых чёрных дыр

«Маленькие красные точки» (little red dots, LRD) — компактные красноватые источники в ранней Вселенной, обнаруженные телескопом James Webb (JWST). Часть из них может быть связана с массивными чёрными дырами, быстро поглощающими вещество. Их количество и предполагаемые темпы роста трудно согласовать с простым сценарием, в котором каждая чёрная дыра рождается из остатков обычной звезды, а затем равномерно набирает массу.

Новые работы не предлагают единственного окончательного ответа. Вместо этого они указывают на три дополняющих друг друга механизма: чёрные дыры могли начинать с более массивных «семян», получать вещество и массу при взаимодействиях галактик, а иногда расти внутри плотного газа, не выглядя как привычные квазары.

1. Ранние гало тёмной материи могли создавать тяжёлые «семена»

Сценарий «не совсем первичных» чёрных дыр занимает промежуточное место между привычными моделями. Он не требует настолько сильных флуктуаций плотности, чтобы первичные чёрные дыры возникали сразу после инфляции. Но даже более умеренно усиленные флуктуации могли привести к чрезвычайно раннему коллапсу гало тёмной материи. 33

Для гало, сформировавшихся раньше примерно красного смещения 200, реликтовое излучение — космический микроволновый фон — могло подавлять образование молекулярного водорода. Без этого важного механизма охлаждения падающий газ мог не дробиться на отдельные звёзды, а коллапсировать напрямую в чёрную дыру. 33

Главное преимущество идеи понятно: если часть чёрных дыр возникла ещё до обычного звездообразования в своих гало, их старт мог быть более ранним и, возможно, более массивным, чем у «семян» из звёздных остатков. Это не отменяет необходимости последующего быстрого роста, но заметно ослабляет проблему.

Пока речь идёт о теоретическом механизме. Чтобы связать его с наблюдаемой популяцией LRD, нужно выяснить, насколько часто в молодой Вселенной возникали такие редкие условия и соответствуют ли их потомки данным JWST.

2. Тесные пары LRD могут указывать на путь через слияния

В отдельном исследовании изображений JWST найдены четыре кандидатные пары, в которых две LRD расположены необычно близко друг к другу в эпоху примерно 12,5–12,8 млрд лет назад. Для двух пар спектроскопия показала почти одинаковые красные смещения у обоих компонентов. Это подтверждает, что объекты действительно находились рядом в пространстве, а не просто случайно оказались на одной линии зрения. 15

Если LRD действительно отмечают активно растущие чёрные дыры, тесные встречи галактик важны по двум причинам:

• Приток газа. Гравитационное взаимодействие способно направлять газ к центрам галактик, снабжая чёрную дыру топливом для аккреции.
• Последующее объединение. При слиянии самих галактик их центральные чёрные дыры могут образовать двойную систему, а затем слиться, напрямую увеличив массу.

Однако это ещё не прямое наблюдение слияния чёрных дыр. Пока обнаружены именно пары кандидатов в LRD. Чтобы установить, содержат ли оба компонента массивные аккрецирующие чёрные дыры и действительно ли им предстоит объединение, потребуются дополнительные спектроскопические данные, динамические ограничения и, в конечном счёте, сигналы гравитационных волн. Сейчас результат разумнее трактовать как признак того, что тесное окружение могло играть заметную роль в раннем росте чёрных дыр. 15

3. «Звезда с чёрной дырой» могла скрывать бурный рост в газе

Объект MoM-BH*-1 предлагает иной ключ к разгадке: не то, как чёрная дыра появляется или соединяется с другой, а то, как она может быстро расти, не напоминая обычное активное ядро галактики.

Предложенная интерпретация описывает аккрецирующую чёрную дыру, погружённую в плотную водородную оболочку. MoM-BH*-1 наблюдается при красном смещении 7,7569, когда возраст Вселенной составлял около 660 млн лет. Согласно модели, оболочка простирается примерно на 10–100 астрономических единиц — это масштаб Солнечной системы. 2326

Энергия, высвобождаемая при падении вещества к чёрной дыре, в такой картине поглощается, рассеивается и переизлучается окружающим газом. Поэтому спектр объекта может выглядеть звёздоподобным, хотя источник энергии — аккреция, а не термоядерные реакции. Модель связывает MoM-BH*-1 с центральной чёрной дырой массой около 100 000 масс Солнца и светимостью порядка 80–100 млрд солнечных светимостей. 2426

Это существенно для LRD: плотный газ способен одновременно подпитывать чёрную дыру и радикально менять наблюдаемый свет. Популяция таких окутанных газом аккреторов могла бы выглядеть компактной и красной, переживая при этом фазу интенсивного роста. Но MoM-BH*-1 — исключительный объект, а его природа пока следует из моделирования; он не доказывает, что все LRD являются подобными «звёздами с чёрной дырой».

Не одна универсальная причина, а последовательность процессов

Вместе эти идеи складываются в правдоподобный сценарий роста:

1. Ранний и массивный старт. Прямой коллапс в исключительно ранних гало мог создавать «семена» ещё до формирования обычных звёзд.
2. Эффективное питание. Плотные газовые оболочки могли маскировать яркую и быструю аккрецию.
3. Наращивание через сборку. Взаимодействия галактик и слияния чёрных дыр могли добавлять массу и запускать новые притоки газа.

Главный вопрос — насколько эти механизмы важны для всей популяции. LRD не обязательно образуют единый класс, а имеющиеся свидетельства различаются по силе: от теории до кандидатных пар и интерпретации одного необычного источника. Но общая картина позволяет уйти от предположения об одном почти невероятном пути роста: первые массивные чёрные дыры, вероятно, имели несколько способов появиться, получать вещество и объединяться в молодой Вселенной.