MoM-BH*-1 — загадочный объект ранней Вселенной, который может оказаться «звездой с чёрной дырой»

Что увидел «Джеймс Уэбб»

MoM-BH*-1 — исключительно яркий и компактный источник из первых миллиардов лет существования Вселенной. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил его в рамках обзора Mirage or Miracle — «Мираж или чудо», сокращённо MoM. Свет объекта дошёл до нас из эпохи, когда после Большого взрыва прошло около 660 миллионов лет.

Астрономы считают, что перед ними, вероятно, не обычная звезда, а быстро поглощающая вещество чёрная дыра, окружённая плотной оболочкой газа, которая придаёт всей системе звездообразный вид.

Название «звезда с чёрной дырой» — удобное описание предполагаемой структуры и поведения объекта. Оно не означает, что учёные уже подтвердили наличие чёрной дыры внутри обычной звезды. Вывод сделан косвенно — по яркости, цвету и спектру MoM-BH*-1, сопоставленным с физическими моделями.

Почему это не похоже на нормальную звезду

Обычные звёзды получают энергию благодаря термоядерному синтезу в недрах. Но оценочная мощность MoM-BH*-1 примерно в 100 миллиардов раз превышает энергию, которую способна выработать любая физически правдоподобная звезда. Поэтому источник энергии, скорее всего, связан не с fusion-процессами, а с гравитационной энергией вещества, падающего к чёрной дыре.

Спектр объекта тоже выглядит необычно. В нём наблюдаются:

• один из самых глубоких водородных бальмеровских скачков;
• широкие и сложные линии излучения водорода;
• сильные линии бальмеровского поглощения;
• почти полное отсутствие признаков элементов тяжелее водорода и гелия.

В совокупности эти особенности указывают на чрезвычайно плотную, турбулентную и сравнительно первозданную газовую среду. Такой спектр не похож ни на открытый свет обычной звезды, ни на типичное активное галактическое ядро.

Как может выглядеть «звезда с чёрной дырой»

Согласно ведущей гипотезе, в центре MoM-BH*-1 находится чёрная дыра массой примерно 100 000 Солнц, которая быстро поглощает окружающее вещество. Падающий газ разогревается: гравитационная энергия превращается в излучение и нагревает плотную оболочку вокруг чёрной дыры.

Эта оболочка формирует подобие фотосферы — условной «поверхности», из которой выходит наблюдаемый свет. Поэтому вся система может выглядеть как компактный яркий красный объект, хотя её центральный источник энергии — аккреция, а не термоядерный синтез.

Модели, объединяющие аккрецирующую чёрную дыру с плотной водородной оболочкой, лучше воспроизводят яркость и цвет MoM-BH*-1, чем простое объяснение с помощью обычной звезды. Предполагается, что газовая структура имеет масштаб примерно Солнечной системы, хотя её точный размер зависит от выбранной модели.

Красный цвет объекта также может быть следствием не пыли, а газа. Излучение центральной чёрной дыры поглощается, многократно рассеивается и переизлучается окружающим веществом. В результате до наблюдателя доходит свет, смещённый в сторону более длинных, красных волн.

Связь с «маленькими красными точками» JWST

«Джеймс Уэбб» обнаружил множество небольших, красных и ярких источников в ранней Вселенной. Их называют «маленькими красными точками» — little red dots, или LRD. Компактный вид и необычные спектры этих объектов пока не позволяют однозначно установить их природу.

MoM-BH*-1 особенно важен потому, что его предполагаемое излучение, создаваемое чёрной дырой, может почти полностью затмевать свет родительской галактики. Это делает механизм свечения более удобным для изучения. Если аналогичная аккреция в плотной газовой оболочке происходила и в менее изолированных системах, многие более тусклые «маленькие красные точки» могут быть похожими объектами, встроенными в молодые галактики.

В таком случае LRD не представляют собой единую популяцию обычных звёзд. Это могут быть быстро растущие чёрные дыры, окружённые плотными газовыми «коконами», из-за которых они выглядят как звёздоподобные источники в инфракрасном диапазоне.

Гипотеза важна и для вопроса о том, как сверхмассивные чёрные дыры успели вырасти на столь раннем этапе космической истории. Плотная оболочка могла бы поддерживать очень быстрое поглощение вещества семенной чёрной дырой. Однако один MoM-BH*-1 ещё не объясняет весь путь формирования позднейших сверхмассивных чёрных дыр.

Почему рентгеновские лучи могут быть незаметны

Относительно открытая аккрецирующая чёрная дыра должна давать мощное высокоэнергетическое, в том числе рентгеновское, излучение. Но толстая газовая оболочка способна радикально изменить картину. Рентгеновские лучи, возникающие вблизи чёрной дыры, могут поглощаться или многократно рассеиваться внутри кокона, а часть их энергии — перераспределяться в ультрафиолетовый и инфракрасный диапазоны.

Это даёт правдоподобное объяснение тому, почему MoM-BH*-1 и похожие «маленькие красные точки» ярко видны в инфракрасных наблюдениях JWST, но остаются слабыми или вовсе не обнаруживаются в рентгеновском диапазоне. Важно, однако, что это следствие модели плотной газовой оболочки, а не прямое измерение, показывающее судьбу каждого отсутствующего рентгеновского фотона.

Почему открытие пока нельзя считать окончательным

Гипотеза о «звезде с чёрной дырой» основана на косвенных данных. JWST измерил свет объекта, но не получил прямого изображения чёрной дыры внутри газовой оболочки. Кроме того, нынешний спектр не содержит единственного уникального признака, который автоматически исключал бы все альтернативные объяснения.

Учёным ещё предстоит проверить варианты, в которых участвуют компактная галактика, необычный газ, пыль, звёздные популяции и скрытая активность чёрной дыры. Поэтому «наиболее вероятное объяснение» не равно окончательной классификации. На сегодня модель выглядит убедительно, но остаётся интерпретацией, основанной на сравнении наблюдений с расчётами.

Новые наблюдения «Джеймса Уэбба» смогут проверить предсказанные спектральные признаки, уточнить плотность и состав газа, точнее измерить размер источника, поискать его переменность и сравнить MoM-BH*-1 с более крупной выборкой «маленьких красных точек». Это поможет понять, является ли объект редкой переходной стадией или примером более широкой популяции чёрных дыр, скрытых в плотном газе на заре Вселенной.

Итог

MoM-BH*-1 лучше всего рассматривать как кандидата в «звёзды с чёрной дырой»: быстро питающуюся чёрную дыру массой около 100 000 Солнц, окружённую плотной водородной оболочкой, из-за которой система сияет подобно гигантской красной звезде. Экстремальная яркость и необычные бальмеровские особенности поддерживают такую трактовку, а газовый кокон может объяснять красный цвет и слабый рентгеновский сигнал. Но пока это сильная модель, а не подтверждённый новый класс небесных тел.