«Маленькие красные точки» JWST могут показать, как быстро росли первые чёрные дыры

«Маленькие красные точки» — компактные красноватые источники, обнаруженные космическим телескопом James Webb (JWST) в ранней Вселенной, — возможно, не представляют собой один-единственный новый класс объектов. Три недавние работы допускают более сложную картину: часть чёрных дыр могла получить крупный стартовый запас массы ещё до обычного звездообразования, затем быстро расти внутри плотной непрозрачной газовой оболочки, а в отдельных системах — получать дополнительный импульс благодаря тесным взаимодействиям галактик и последующим слияниям.

Такая последовательность способна частично объяснить одну из главных загадок эпохи первых галактик: почему очень массивные чёрные дыры появились вскоре после Большого взрыва. Однако это не означает, что все «маленькие красные точки» имеют общее происхождение: конкурирующие трактовки по-прежнему рассматриваются.

Шаг первый: крупные «семена» ещё до первых звёзд

Гипотеза «не совсем первичных» чёрных дыр занимает промежуточное положение между чёрными дырами, возникшими в самые первые мгновения существования Вселенной, и обычными чёрными дырами — остатками умерших звёзд. В этой модели сравнительно небольшие сгущения тёмной материи на очень раннем этапе собирают газ. Горячее реликтовое излучение — космический микроволновый фон — мешает этому газу достаточно остыть и распасться на будущие звёзды. В итоге газ мог бы коллапсировать прямо в чёрную дыру ещё до формирования обычной звёздной популяции. 19

Главное преимущество сценария — выигрыш во времени. Чёрной дыре, которая изначально получила сравнительно большую массу, не нужно начинать путь с малого остатка одной массивной звезды. Но это именно гипотеза образования, а не прямое обнаружение такого дозвёздного «семени»; её значение для всей популяции «маленьких красных точек» пока не доказано. 19

Шаг второй: быстрый рост, скрытый в плотном газе

Объект MoM-BH*-1 наглядно показывает, почему классифицировать «маленькие красные точки» по одному внешнему виду трудно. Исследователи считают наиболее вероятным объяснением чрезвычайно плотное газовое облако, энергию которому даёт центральная чёрная дыра, а не обычный термоядерный синтез в звезде. 1

Согласно представленной модели, в центре находится чёрная дыра массой примерно в 100 000 солнечных масс. Её окружает огромная водородная оболочка — по размерам сопоставимая с Солнечной системой. Газ перерабатывает энергию аккрецирующей, то есть поглощающей вещество, чёрной дыры и придаёт всей системе звездообразный облик. Поэтому объект неформально называют «звездой с чёрной дырой». 1

Если эта интерпретация верна, она подчёркивает важный наблюдательный вывод: быстро питающаяся чёрная дыра, погружённая в исключительно плотный газ, может выглядеть не как привычный квазар, а как компактный красный источник. MoM-BH*-1, следовательно, может быть одним физическим типом в более широкой популяции «маленьких красных точек», но не обязательно образцом для каждой из них. 1

Шаг третий: близкие пары и будущие слияния

В обзоре COSMOS-Web нашли четыре кандидата в двойные «маленькие красные точки» с видимыми угловыми расстояниями от 0,2 до 1,2 угловой секунды. Анализ показал, что такое распределение вряд ли объясняется случайным наложением не связанных между собой объектов, находящихся на разных красных смещениях. 40

Для двух систем, по которым есть бесщелевая спектроскопия, у обоих компонентов пары обнаружена линия на одной и той же наблюдаемой длине волны. Это поддерживает вывод, что источники действительно находятся близко друг к другу в ранней Вселенной. 40

Если компактные источники содержат активно растущие чёрные дыры, тесное соседство может быть важно по двум причинам:

• взаимодействия галактик способны возмущать газ и направлять его к центральным чёрным дырам;
• при дальнейших слияниях галактик могут сливаться и их чёрные дыры, наращивая массу иерархически.

Здесь нужна осторожность. Близость в проекции на небе ещё не доказывает, что объекты образуют гравитационно связанную пару; а физическая близость пары сама по себе не гарантирует будущего слияния чёрных дыр. Наблюдения разумнее считать свидетельством того, что близкое окружение может играть важную роль, а не прямым подтверждением уже сближающихся чёрных дыр. 40

Общая схема: «семя», питание, слияние

Вместе эти результаты поддерживают многоступенчатое объяснение быстрой сборки ранних чёрных дыр:

1. «Семя». Редкие условия могли создавать чёрные дыры до стандартного звездообразования, давая им фору по массе. 19
2. Питание. Плотный газ способен поддерживать или скрывать фазу быстрой аккреции, из-за которой растущая чёрная дыра выглядит компактным красным источником — как предполагается для MoM-BH*-1. 1
3. Слияние. Близкие пары и взаимодействующие галактики могут создавать новые условия для притока газа, а в перспективе — для слияний чёрных дыр. 40

Такой сценарий меньше зависит от предположения, что огромная популяция чёрных дыр возникла в первые мгновения после Большого взрыва. Но он всё равно требует необычных условий ранней Вселенной: газ должен эффективно собираться, не дробясь слишком быстро на обычные звёзды.

Что поможет проверить эту картину

Решающее значение будут иметь новые наблюдения. Спектроскопия позволит установить, действительно ли большее число пар «маленьких красных точек» физически связано и несут ли оба компонента признаки аккреции. Более крупные выборки покажут, достаточно ли часто встречаются близкие спутники, чтобы слияния были важным каналом роста. Детальные спектры также помогут отличить модель чёрной дыры в плотном газе от альтернатив — например, экстремальных звёзд или сверхкомпактных галактик.

Пока наиболее точный вывод звучит сдержанно: JWST, вероятно, наблюдает сразу несколько этапов рождения и роста ранних чёрных дыр. Тяжёлые «семена», скрытая газом аккреция и взаимодействия галактик — дополняющие друг друга возможности, а не единая подтверждённая история происхождения всех «маленьких красных точек».