«Маленькие красные точки» намекнули на ранние пары растущих черных дыр

Что удалось увидеть в данных JWST

Международная команда астрономов обнаружила четыре кандидата на пары так называемых «маленьких красных точек» (Little Red Dots, LRDs) — компактных и необычно красных объектов, замеченных космическим телескопом James Webb в ранней Вселенной. LRDs считают возможными активными галактическими ядрами, связанными с быстрым ростом черных дыр, однако их физическая природа до сих пор остается предметом споров. 81

Ключом стал новый метод анализа инфракрасных изображений: исследователи оценивали цвет не всего объекта целиком, а отдельных пикселей. Благодаря этому удалось различить соседние красные ядра, которые при стандартном анализе могли сливаться в один компактный источник. Более мягкие требования к компактности также помогли находить тесные или частично перекрывающиеся конфигурации. 8

Почему пары считают физически связанными

Четыре кандидата расположены в изображениях COSMOS-Web на расстоянии всего 0,2–1,2 угловой секунды. Для сравнения: угловая секунда — это крайне малая величина, соответствующая небольшому расстоянию на небе; в данном случае речь идет о потенциально соседних объектах на космологических масштабах. 8

Для двух пар бесщелевые спектры JWST/COSMOS-3D показали у обоих компонентов каждой пары эмиссионную линию на одной и той же наблюдаемой длине волны. Если эти широкие линии с большой эквивалентной шириной интерпретировать как линию Hα, пары находятся на красных смещениях 5,822 и 5,464. Это поддерживает гипотезу о физической связи объектов, а не о случайном наложении двух независимых источников вдоль одного луча зрения. 8

Полученные спектроскопические красные смещения соответствуют проецируемым расстояниям около 1,64 и 7,36 килопарсека — примерно 5 300 и 24 000 световых лет. Свет от всех четырех систем шел к нам около 12,5–12,8 млрд лет, поэтому телескоп показывает их такими, какими они были на очень раннем этапе истории Вселенной. 8

Дополнительное сравнение с искусственными каталогами объектов показало, что случайные проекции вдоль луча зрения с трудом объясняют столь малые расстояния. Оцененная кластеризация LRD на малых масштабах примерно в 20–30 раз сильнее, чем можно было бы ожидать при экстраполяции сигнала корреляции активных галактических ядер на больших масштабах. 8

Возможные предшественники будущих слияний

Если обе «маленькие красные точки» действительно содержат активно растущие черные дыры, их сближение может привести к слиянию галактик и черных дыр. Объединение масс, а также приток газа к общей системе способны поддерживать дальнейшее быстрое накопление вещества. Повторяющиеся слияния в сочетании с аккрецией могли бы помочь объяснить появление очень массивных черных дыр за относительно короткое время после Большого взрыва. 8

Однако найденные системы пока нельзя называть подтвержденными двойными черными дырами, которые уже находятся на финальной стадии сближения. Результат указывает на избыток близких пар кандидатов — вероятных предшественников слияний, — но не является прямым наблюдением самого слияния. Физическая природа LRD и сроки возможного объединения объектов требуют дальнейших наблюдений. 81

Слияния — не единственное объяснение

Один из основных альтернативных сценариев связывает быстрый рост черных дыр не столько со слияниями, сколько с продолжительной чрезвычайно интенсивной аккрецией газа. Согласно некоторым моделям, LRD могут быть активными галактическими ядрами, скрытыми в плотных оптически толстых газовых оболочках. Такая среда одновременно поставляет топливо для аккреции и изменяет наблюдаемый красный спектр объектов. 32

Эти объяснения не исключают друг друга. Плотный газ может способствовать быстрому росту черных дыр до слияния, во время него и после него. Пока данные не позволяют определить, какая доля раннего роста черных дыр была связана со слияниями, а какая — с аккрецией. 83

Что покажут следующие наблюдения

Применение попиксельного метода к более широким и глубоким обзорам JWST позволит точнее измерить долю близких пар и функцию их корреляции. Это поможет выяснить, как часто у LRD есть соседние объекты, меняется ли частота пар с красным смещением и светимостью и достаточно ли распространены слияния, чтобы стать значимым каналом роста черных дыр. 8

Такие измерения также позволят оценивать частоту слияний и массы ранних двойных черных дыр. В перспективе это улучшит прогнозы для будущих космических гравитационно-волновых обсерваторий, включая LISA и предлагаемые детекторы децгерцевого диапазона. 5

На данный момент наиболее надежный вывод таков: в ранней Вселенной обнаружен необычно высокий избыток близких пар «маленьких красных точек». Это важная подсказка о том, как могли расти первые сверхмассивные черные дыры, но еще не доказательство того, что все LRD формируются или эволюционируют именно через слияния. 8