Три підказки JWST: як чорні діри в ранньому Всесвіті могли так швидко вирости

Телескоп James Webb Space Telescope (JWST) виявив у ранньому Всесвіті компактні червоні джерела, відомі як «малі червоні точки» (little red dots, LRD). Частина з них може бути пов’язана з масивними чорними дірами, що інтенсивно поглинають речовину. Їхня численність і, ймовірно, дуже швидкий ріст чорних дір важко узгоджуються з простою схемою: кожна діра народжується після загибелі звичайної зорі, а потім повільно нарощує масу.

Три нові напрями досліджень пропонують гнучкішу картину. Чорні діри могли стартувати з більших «насінин», отримувати масу завдяки взаємодіям і злиттям, а інколи швидко рости всередині щільного газу, не виглядаючи як звичайні квазари. Це не одна остаточно підтверджена відповідь, а взаємодоповнювальні гіпотези.

1. Надранні гало темної матерії могли створити важчі «насінини»

Ідея «не зовсім первинних» чорних дір займає проміжне місце між відомими сценаріями. Вона не вимагає настільки великих флуктуацій густини, щоб одразу після інфляції утворилися первинні чорні діри. Натомість навіть помірно посилені флуктуації могли спричинити надзвичайно ранній колапс гало темної матерії. 33

Для гало, що сформувалися приблизно до червоного зміщення 200, космічне мікрохвильове фонове випромінювання могло пригнічувати утворення молекулярного водню. Без такого механізму охолодження газу важче розпадатися на окремі зорі; речовина, що падає в гравітаційну яму гало, за певних умов могла зазнати прямого колапсу в чорну діру. 33

Перевага цього сценарію очевидна: якщо деякі чорні діри виникали ще до звичайного зореутворення у своїх гало, вони могли з’явитися раніше й бути масивнішими за насінини — залишки зір. Це не скасовує потреби в подальшому швидкому рості, але зменшує його необхідний масштаб.

Поки що це теоретичний механізм. Наскільки він важливий для популяції LRD, залежить від того, як часто у молодому Всесвіті складалися такі рідкісні умови та чи відповідають їхні передбачені нащадки даним JWST.

2. Близькі пари LRD можуть вказувати на канал злиттів

В іншій роботі, присвяченій аналізу зображень JWST, знайдено чотири кандидатні пари LRD: у кожній дві «малі червоні точки» розташовані незвично близько одна до одної. Їх спостерігають у Всесвіті приблизно 12,5–12,8 млрд років тому. Для двох пар спектроскопія показала майже однакові червоні зміщення обох компонентів. Це підтримує висновок, що об’єкти справді були поруч у просторі, а не лише випадково наклалися вздовж променя зору. 15

Якщо LRD справді простежують чорні діри, що активно ростуть, тісні взаємодії галактик можуть бути важливими з двох причин:

• Приплив газу. Гравітаційна взаємодія здатна спрямовувати газ до центрів галактик, постачаючи чорним дірам паливо для акреції — падіння речовини на них.
• Майбутнє злиття. Коли зливаються самі галактики, їхні центральні чорні діри можуть утворити пару, а згодом об’єднатися, безпосередньо додавши масу.

Це перспективне тлумачення, але ще не пряме спостереження злиття чорних дір. Йдеться саме про кандидатні пари LRD; щоб встановити, чи обидва їхні компоненти містять масивні акреційні чорні діри та чи справді вони зіллються, потрібні додаткові спектроскопічні й динамічні дані, а зрештою — підтвердження гравітаційними хвилями. Наразі спостереження радше свідчать, що близьке оточення могло відігравати помітну роль у цю ранню епоху росту. 15

3. «Зоря з чорною дірою» могла приховувати швидкий ріст у газі

Об’єкт MoM-BH*-1 додає ще одну підказку: не про те, як чорна діра зароджується чи зливається з іншою, а про те, як вона може рости, виглядаючи не так, як стандартне активне ядро галактики.

Запропонована інтерпретація описує чорну діру, що акретує речовину всередині щільної водневої оболонки. MoM-BH*-1 спостерігають за червоного зміщення 7,7569 — коли Всесвіту було близько 660 млн років. За моделлю, газова оболонка простягається приблизно на 10–100 астрономічних одиниць, тобто має масштаб Сонячної системи. 2326

У цій моделі енергія, яку виділяє речовина під час падіння до чорної діри, поглинається, розсіюється й перевипромінюється навколишнім газом. Через це спектр може скидатися на зоряний, хоча справжнім джерелом енергії є акреція. Модель пов’язує джерело з центральною чорною дірою масою приблизно 100 000 мас Сонця та світністю на рівні орієнтовно 80–100 млрд сонячних світностей. 2426

Для LRD це важливо, бо щільний газ здатен водночас живити чорну діру й змінювати світло, яке бачать астрономи. Отже, популяція огорнутих газом акреційних чорних дір могла б виглядати компактною й червоною, паралельно швидко набираючи масу. Однак MoM-BH*-1 — винятковий об’єкт, а його пояснення є моделлю; він не доводить, що всі LRD — це такі «зорі з чорною дірою».

Не одне універсальне пояснення, а кілька етапів

Разом ці три ідеї описують правдоподібну послідовність росту:

1. Ранній і масивний старт. Прямий колапс в аномально ранніх гало міг породжувати чорні діри ще до появи звичайних зір.
2. Ефективне живлення. Щільна газова оболонка могла приховувати яскраву й швидку акрецію.
3. Нарощування через об’єднання. Взаємодії галактик і злиття чорних дір могли додавати масу та запускати нові припливи газу.

Головне невідоме — наскільки ці механізми поширені в масштабі всієї популяції. LRD не обов’язково є однорідним класом об’єктів, а наявні аргументи мають різний статус: від теоретичної моделі до кандидатних пар і тлумачення одного особливо незвичного джерела. Проте разом вони відсувають питання від одного майже неймовірного сценарію росту: перші масивні чорні діри, ймовірно, мали кілька шляхів — утворюватися, живитися та зливатися у молодому Всесвіті.