MoM-BH*-1 може бути «зорею з чорною дірою» раннього Всесвіту

MoM-BH*-1 — надзвичайно яскраве й компактне джерело з першого мільярда років історії Всесвіту. Космічний телескоп «Джеймс Вебб» (JWST) зафіксував його в межах огляду Mirage or Miracle — «Міраж чи диво». Ми бачимо об’єкт таким, яким він був приблизно через 660 мільйонів років після Великого вибуху.

Астрономи вважають, що це навряд чи звичайна зоря. Найпереконливіша наразі модель описує MoM-BH*-1 як чорну діру, що швидко поглинає речовину й оточена надзвичайно щільною, схожою на зорю оболонкою з газу. Саме тому об’єкт умовно називають «зорею з чорною дірою».

Важливо: ця назва описує можливий вигляд і механізм роботи системи. Вона не означає, що в центрі звичайної зорі вже безпосередньо підтверджено чорну діру. Висновок зроблено за спектром, яскравістю та кольором джерела, зіставленими з фізичними моделями.

Чому MoM-BH*-1 не схожий на звичайну зорю

Звичайні зорі випромінюють енергію завдяки ядерному синтезу у своїх надрах. Але енергетичний вихід MoM-BH*-1 настільки великий, що його важко пояснити навіть надзвичайно масивною фізично можливою зорею: оцінки вказують на приблизно 100 мільярдів разів більшу енергію, ніж може виробити будь-яка відома зоря. Це радше свідчить про вивільнення гравітаційної енергії під час падіння речовини до чорної діри.

Спектр об’єкта також має незвично глибокий бальмерівський розрив, широкі складні лінії випромінювання водню та сильні лінії бальмерівського поглинання. Водночас майже немає ознак елементів, важчих за водень і гелій. У сукупності це вказує на надзвичайно щільне, турбулентне й відносно первісне газове середовище — не на відкриту атмосферу звичайної зорі або типовий активний галактичний центр.

Як може виглядати «зоря з чорною дірою»

Згідно із запропонованою моделлю, чорна діра масою приблизно 100 000 Сонць швидко поглинає навколишню речовину. Газ, що падає всередину, вивільняє гравітаційну енергію та нагріває щільну оболонку навколо чорної діри.

Ця оболонка діє як зореподібна «псевдофотосфера» — умовна поверхня, з якої виходить світло. У результаті вся система здається компактним яскравим червоним об’єктом, хоча її головним джерелом енергії є не ядерний синтез, а акреція, тобто падіння речовини на чорну діру.

Моделі, що поєднують чорну діру, яка активно поглинає газ, із щільною водневою оболонкою, краще відтворюють яскравість і колір MoM-BH*-1, ніж просте пояснення через звичайну зорю. За деякими моделями, газова оболонка має масштаб приблизно Сонячної системи, хоча її точні розміри та будова залежать від обраних припущень.

Червоний колір об’єкта теж може бути наслідком дії газу, а не пилу. Випромінювання центральної чорної діри поглинається, розсіюється та повторно випромінюється навколишньою речовиною. Через це світло, яке зрештою виходить назовні, зміщується до довших, червоніших хвиль.

Чи пояснює це «маленькі червоні цятки» JWST

«Джеймс Вебб» виявив у ранньому Всесвіті багато невеликих, червоних і яскравих джерел, які неофіційно називають «маленькими червоними цятками» — little red dots. Їхня компактність і незвичні спектри ускладнюють визначення їхньої природи.

MoM-BH*-1 особливо цікавий тим, що його можливе випромінювання від чорної діри може переважати світло галактики-господаря. Це дає змогу краще дослідити механізм, який живить об’єкт. Якщо подібна акреція в газовій оболонці відбувається в менш ізольованих системах, слабші «червоні цятки» можуть бути спорідненими об’єктами всередині молодих галактик.

У такому разі ці джерела не обов’язково належать до єдиної популяції звичайних зір. Вони можуть бути чорними дірами, що швидко ростуть, а їхні щільні газові оболонки на інфрачервоних зображеннях надають їм зореподібного вигляду.

Ця гіпотеза важлива й для питання, як надмасивні чорні діри змогли сформуватися так рано. Щільна оболонка могла б сприяти швидкому поглинанню речовини чорною дірою-зародком. Однак сам MoM-BH*-1 не доводить усю історію зростання надмасивних чорних дір, які спостерігаються пізніше у Всесвіті.

Чому рентгенівські промені можуть бути майже непомітними

Відносно «оголена» чорна діра, що активно поглинає речовину, мала б випромінювати значну кількість високоенергетичного світла, зокрема рентгенівські промені. Але товстий газовий кокон змінює картину.

Рентгенівське випромінювання, створене поблизу чорної діри, може багаторазово поглинатися або розсіюватися всередині оболонки. Частина його енергії при цьому перетворюється на випромінювання нижчих енергій — ультрафіолетове та інфрачервоне.

Це дає правдоподібне пояснення, чому MoM-BH*-1 і подібні «маленькі червоні цятки» можуть бути яскравими в інфрачервоному діапазоні JWST, але слабкими або взагалі невидимими в рентгенівських спостереженнях. Водночас це висновок, сумісний із моделлю огорнутої газом чорної діри, а не пряме вимірювання, яке показує долю кожного «відсутнього» рентгенівського фотона.

Чому це ще не підтверджений новий клас об’єктів

Гіпотеза про «зорю з чорною дірою» ґрунтується на непрямих свідченнях. JWST виміряв світло MoM-BH*-1, але не отримав прямого зображення чорної діри всередині газової оболонки. Крім того, нинішній спектр не містить однієї унікальної ознаки, яка б остаточно відкидала всі альтернативні пояснення.

Дослідникам ще належить перевірити інші комбінації — компактну галактику, незвичайний газ, пил, зоряні популяції та приховану активність чорної діри. Наявні дані роблять модель «зорі з чорною дірою» сильним кандидатом, але «найкраще пояснення» — це ще не остаточна ідентифікація.

Подальші спостереження JWST допоможуть перевірити передбачені спектральні ознаки, точніше визначити розміри джерела, щільність і склад газу, а також виявити можливу змінність його яскравості. Важливо буде й порівняти MoM-BH*-1 із більшою вибіркою «маленьких червоних цяток». Так стане зрозуміло, чи перед нами рідкісний перехідний об’єкт, чи представник широкої популяції чорних дір, огорнутих газом, на світанку Всесвіту.

Підсумок

MoM-BH*-1 найкраще описувати як кандидата в «зорі з чорною дірою»: чорну діру масою приблизно 100 000 Сонць, яка швидко поглинає речовину, а її щільна воднева оболонка змушує всю систему сяяти подібно до гігантської червоної зорі. Надзвичайна яскравість і незвичні бальмерівські ознаки підтримують цю інтерпретацію, а той самий газовий кокон може пояснити червоний колір і слабкий рентгенівський сигнал. Проте наразі це модель, заснована на спостереженнях і розрахунках, а не підтверджений новий клас небесних тіл.