Как симуляции ATERUI III и JWST объясняют загадочные «малые красные точки»

«Малые красные точки» (Little Red Dots, LRD) — компактные необычно красные источники, обнаруженные телескопом James Webb в ранней Вселенной. Две недавние работы подходят к их загадке с разных сторон. Одна моделирует, как сверхмассивные чёрные дыры могли столь быстро появиться и вырасти. Другая рассматривает, чем физически может быть один особенно необычный красный источник. Вместе они предлагают правдоподобную картину короткой, скрытой газом стадии сборки сверхмассивных чёрных дыр. Но одинаково объяснять всю популяцию LRD пока рано. 513

Две работы — две части одной загадки

Работа группы Санмёна Чона основана на космологических симуляциях, выполненных на японском суперкомпьютере ATERUI III. Главный вопрос здесь: как чёрная дыра могла стать очень массивной уже в первые сотни миллионов лет существования Вселенной? Моделирование плотных протоскоплений галактик выявило путь к образованию тяжёлых «зародышей» и чрезвычайно быстрому притоку вещества. 5

Исследование, возглавляемое Роханом Найду, опирается на данные JWST об объекте MoM-BH*-1. Его спектр лучше всего согласуется с моделью аккрецирующей чёрной дыры, окружённой сверхплотной, богатой водородом газовой оболочкой. Из-за этой оболочки наружу выходит спектр, больше похожий на излучение красной звёздной атмосферы, чем на привычное излучение открытого активного ядра галактики. 110

Иначе говоря: симуляции предлагают механизм рождения и роста, а наблюдения показывают, как такой глубоко погружённый в газ объект может выглядеть.

Сначала — не дать газу распасться на обычные звёзды

В модели Чона сильное дальнее ультрафиолетовое излучение соседних молодых галактик подавляет молекулярное охлаждение газовых облаков. Обычно охлаждение помогает сжимающемуся облаку фрагментироваться на множество меньших сгустков — будущих обычных звёзд. Если фрагментация подавлена, облако способно коллапсировать гораздо более цельно. 5

В результате возникают сверхмассивные звёзды массой примерно от 500 000 до 900 000 солнечных масс. Они живут недолго и затем коллапсируют, оставляя массивные зародыши чёрных дыр — несравнимо тяжелее, чем остатки обычных звёзд. 5

Такое начало решает проблему времени. Зародышу массой около миллиона Солнц требуется существенно меньше времени, чтобы достичь масс, предполагаемых для ранних активных чёрных дыр, чем чёрной дыре, оставшейся после гибели обычной массивной звезды. Это помогает объяснить появление объектов с массами от миллионов до миллиардов солнечных масс в очень молодой Вселенной. 5

Затем — быстрый рост внутри плотного диска

После образования зародыш остаётся внутри плотного газового диска, непрозрачного для излучения. Свету, возникающему рядом с чёрной дырой, трудно выйти наружу напрямую. Поэтому излучение и его давление не так эффективно останавливают падающий газ, как в более разрежённых дисках. 5

При таких условиях чёрная дыра в симуляции может поглощать вещество со скоростью, в десятки раз превышающей стандартный эддингтоновский предел — ориентир, при котором давление излучения обычно сдерживает дальнейшую аккрецию. Команда Чона получила путь к чёрной дыре массой около 30 млн солнечных масс примерно через 600 млн лет после Большого взрыва. 5

Суть этой модели не в необходимости новой экзотической физики. Она использует гравитацию, газовую динамику, радиационную обратную связь и исключительно плотные условия ранней Вселенной, которые естественно возникают в космологическом расчёте. 5

Почему это может объяснить многочисленность LRD

«Малые красные точки» важны не только как отдельные редкие объекты: их достаточно много, и объяснение должно работать для популяции, а не для единичной случайности. В симуляции ключевые условия — плотные области протоскоплений, сильное излучение соседних галактик, богатый газом материал и скрытая фаза аккреции — возникают в рамках модели ранней Вселенной. 5

Модель предсказывает и наблюдаемые признаки. Плотное непрозрачное вещество вокруг быстро растущей чёрной дыры меняет выходящее излучение; в расчётах появляются свойства, сопоставимые с LRD, включая широкую линию водорода H-альфа. 5

Это согласуется с более ранними спектроскопическими исследованиями, согласно которым многие LRD могут быть молодыми относительно маломассивными сверхмассивными чёрными дырами, аккрецирующими близко к эддингтоновскому пределу и погружёнными в толстые коконы ионизированного газа. 3

Почему чёрная дыра может выглядеть как красная звезда

Команда Найду изучила MoM-BH*-1 — компактный чрезвычайно красный источник с глубоким бальмеровским скачком, почти без признаков элементов тяжелее водорода и гелия и со светимостью, которую трудно объяснить одним только термоядерным синтезом в звёздах. 1

Предпочтительная модель включает аккрецирующую чёрную дыру массой около 100 000 солнечных масс, заключённую в исключительно плотный водородный кокон размером примерно с Солнечную систему. Этот газ действует как псевдофотосфера: он поглощает и перерабатывает энергию аккреции. Поэтому наблюдатель видит красный звёздоподобный объект, хотя источник энергии — падение вещества на чёрную дыру. 110

Именно это исследователи называют «звездой с чёрной дырой». Речь не о новой разновидности обычной звезды и не о новом названии самой чёрной дыры. Это предполагаемый составной объект: растущая чёрная дыра, скрытая внутри оптически плотной газовой атмосферы. 110

Что остаётся неясным

Данные впечатляют, но выводы требуют осторожности. Работа Найду особенно убедительно описывает один исключительный объект, а не доказывает, что все LRD — «звёзды с чёрной дырой». Симуляция Чона демонстрирует жизнеспособный канал образования и роста, однако такой канал ещё не является полной переписью всей наблюдаемой популяции. 51

Вероятнее всего, LRD неоднородны. В одних случаях доминирует аккреция на чёрную дыру в ионизированном коконе; в других заметным может быть свет родительской галактики, влияние пыли или компактное звездообразование. О физической природе всей популяции продолжаются дискуссии. 34

Пока наиболее сильная трактовка такова: JWST, возможно, наблюдает часть ранних чёрных дыр в короткой фазе ускоренного роста, когда они ещё окутаны плотным газом. Эта оболочка одновременно помогает им быстро набирать массу и маскирует их, превращая в крошечные красные точки на снимках ранней Вселенной.