«Малі червоні точки» JWST можуть показувати триетапний шлях до перших надмасивних чорних дір

«Малі червоні точки» — компактні червонуваті джерела, які космічний телескоп James Webb (JWST) бачить у далекому, ранньому Всесвіті, — можуть бути не одним новим типом об’єктів. Три свіжі напрями досліджень натомість складаються в можливу послідовність швидкого зростання чорних дір: спершу формується масивний зародок, потім він інтенсивно поглинає речовину в непрозорій газовій оболонці, а в окремих системах додатковий поштовх дають близькі взаємодії галактик і подальші злиття.

Така схема може послабити одну з головних загадок «космічного світанку»: як надмасивні чорні діри встигли з’явитися так рано після Великого вибуху. Але вона не означає, що всі «малі червоні точки» мають спільне походження. Конкуруючі тлумачення досі залишаються можливими.

1. Як утворити важкий зародок ще до перших зір

Гіпотеза «не зовсім первинних» чорних дір пропонує проміжний варіант між чорними дірами, які нібито могли народитися в найперші миті існування Всесвіту, та звичайними чорними дірами — залишками загиблих зір. За цим сценарієм відносно невеликі згущення темної матерії збирали газ у надранньому Всесвіті. Гаряче реліктове випромінювання — космічний мікрохвильовий фон — заважало цьому газу охолоджуватися й дробитися на зорі. Тож газ потенційно міг безпосередньо колапсувати в чорну діру до появи звичайної зоряної популяції. 19

Перевага такого механізму — у часі. Чорній дірі, що стартує з порівняно великої маси, не потрібно наздоганяти об’єкт, який почався з колапсу однієї масивної зорі. Однак це гіпотеза формування, а не пряме спостереження дозоряного зародка; її значення для всієї популяції «малих червоних точок» наразі не доведено. 19

2. Близькі пари можуть виявити роль взаємодій

У межах огляду COSMOS-Web дослідники знайшли чотири кандидатні подвійні «малі червоні точки» з проєкційними кутовими відстанями від 0,2 до 1,2 кутової секунди. Аналіз показав, що такий розподіл навряд чи пояснюється лише випадковим накладанням не пов’язаних між собою об’єктів на різних червоних зміщеннях. 40

Для двох систем, доступних для безщілинної спектроскопії, у кожній парі виявлено спектральну лінію на однаковій спостережуваній довжині хвилі. Це підтримує припущення, що компоненти справді були близькими один до одного в ранньому Всесвіті. 40

Якщо в таких компактних джерелах є чорні діри, що активно ростуть, сусідні пари можуть бути важливими з двох причин:

• взаємодії галактик здатні збурювати газ і спрямовувати його до центральних чорних дір;
• подальші злиття галактик та їхніх чорних дір можуть ієрархічно додавати масу.

Утім, ці висновки мають бути умовними. Близькі джерела в проєкції не обов’язково утворюють гравітаційно зв’язану пару галактик, а фізично пов’язана пара не обов’язково завершиться злиттям чорних дір. Наразі спостереження радше вказують, що близьке оточення може мати значення, ніж підтверджують злиття чорних дір. 40

3. MoM-BH*-1: чорна діра, що виглядає як зоря

Об’єкт MoM-BH*-1 яскраво показує, чому «малі червоні точки» важко класифікувати лише за зовнішнім виглядом. Найімовірніше пояснення, за оцінкою дослідників, — надщільна газова хмара, енергію якої забезпечує центральна чорна діра, а не звичний термоядерний синтез у зорі. 1

У запропонованій моделі чорна діра масою близько 100 000 мас Сонця міститься у величезній водневій оболонці, за розмірами порівнянній із Сонячною системою. Навколишній газ переробляє енергію від речовини, що падає на чорну діру, через що вся система має зореподібний вигляд. Звідси й неформальна назва — «зоря з чорною дірою». 1

Якщо це тлумачення правильне, MoM-BH*-1 демонструє важливу річ: чорна діра, що стрімко нарощує масу в надзвичайно щільному газі, може виглядати як компактне червоне джерело, а не як звичний квазар. Це може бути один фізичний клас у ширшій популяції «малих червоних точок», але не зразок для кожного такого об’єкта. 1

Загальна картина: зародитися, живитися, зливатися

Разом ці роботи підтримують багаторівневе пояснення швидкого складання ранніх чорних дір:

1. Зародок. Рідкісні умови могли створювати чорні діри ще до звичайного зореутворення, даючи їм фору в масі. 19
2. Живлення. Щільний газ міг підтримувати або приховувати фазу швидкої акреції, коли чорна діра поглинає речовину; тоді об’єкт може виглядати як червоне компактне джерело на кшталт MoM-BH*-1. 1
3. Злиття. Близькі пари та взаємодійні галактики могли відкривати додаткові можливості для припливу газу й, зрештою, для злиття чорних дір. 40

Ця схема менше покладається на потребу в гігантській популяції чорних дір, утворених у перші миті після Великого вибуху. Проте вона все одно вимагає незвичайних умов раннього Всесвіту — таких, що ефективно накопичували газ, водночас стримуючи його звичайне дроблення на зорі.

Що може дати остаточні відповіді

Вирішальними будуть нові спостереження. Спектроскопія допоможе встановити, чи є більше пар «малих червоних точок» фізично пов’язаними та чи мають обидва компоненти ознаки акреції. Більші вибірки покажуть, чи достатньо часто трапляються близькі сусіди, аби злиття були важливим каналом зростання. Детальніші спектри також дадуть змогу відрізнити моделі чорної діри в щільному газі від альтернатив, де йдеться про надзвичайні зорі або компактні галактики.

Найобережніший висновок наразі такий: JWST, можливо, бачить одразу кілька стадій формування та росту ранніх чорних дір. Важкі зародки, прихована акреція і взаємодії — це взаємодоповнювальні можливості, а не одна підтверджена історія походження для всіх «малих червоних точок».