Эти маленькие красные точки, замеченные в ранней Вселенной, могут быть гигантскими черными дырами в стадии формирования
Среди загадок, обнаруженных в дальних уголках первозданной Вселенной космическим телескопом «Джеймс Уэбб» (JWST), одна из самых головоломных касается странных космических образований, прозванных маленькими красными точками (Little Red Dots, LRD). Эти компактные объекты с красноватым оттенком интригуют астрофизиков. Их необычная световая сигнатура не соответствует общепринятым моделям. Недавнее исследование выдвинуло интересную гипотезу: LRD могут быть ювенильными сверхмассивными черными дырами, которые преждевременно достигли космической зрелости и поэтому имеют гигантские размеры.
С момента ввода в эксплуатацию 25 декабря 2021 года космический телескоп «Джеймс Уэбб» уже внес свой вклад в улучшение нашего понимания Вселенной. Его наблюдательные возможности раздвинули границы видимого, открыв неизученные области космической истории.
Среди его самых значительных открытий — обнаружение самых старых из известных на сегодняшний день галактик, образовавшихся через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Например, галактика JADES-GS-z13-1, обнаруженная в рамках программы JADES, сформировалась всего через 330 миллионов лет после начала существования Вселенной, что говорит о том, что фаза реионизации наступила гораздо раньше, чем предсказывают модели.
JWST также обнаружил существование массивных галактик возрастом более 12,8 миллиарда лет, прозванных «красными монстрами», каждая из которых содержит до ста миллиардов солнечных масс. Эти открытия ставят под сомнение традиционные сценарии звездообразования. Совсем недавно телескоп также впервые обнаружил углекислый газ в атмосфере экзопланеты.
Благодаря своей беспрецедентной мощности JWST зафиксировал свет галактик, образовавшихся всего через 200 миллионов лет после Большого взрыва, почти 13,5 миллиарда лет назад. Эти изображения помогли уточнить наше понимание самых ранних космических структур.
Кроме того, телескоп обнаружил загадочные объекты, датируемые более чем 12 миллиардами лет, которые появились в первые эпохи существования Вселенной. Эти доселе неизвестные структуры противоречат современным теориям формирования галактик. Их характерная яркость в красном диапазоне длин волн принесла им прозвище «маленькие красные точки» (сокращенно LRD).
Само их существование кажется несовместимым с обычными астрофизическими процессами. В то время как звезды проходят хроматическую эволюцию от синего до красного цвета за миллиарды лет, эти объекты демонстрируют красный оттенок почти сразу после своего появления — примерно через 900 миллионов лет после Большого взрыва.
Спектр света этих объектов заметно расширяется из-за эффекта Доплера, что свидетельствует о движении газа со скоростью более 1 000 километров в секунду. Такие орбитальные скорости позволяют предположить наличие в их сердце сверхмассивных черных дыр, активно поглощающих окружающую материю.
По мнению исследователей, эти LRD могут соответствовать новой форме активных галактических ядер (АЯГ) - областей космоса, где газ, притягиваемый черной дырой, выделяет значительную энергию. Но в отличие от классических АЯГ, LRD почти не излучают рентгеновские и радиоволны. Даже в инфракрасном диапазоне их энергетическая сигнатура вызывает недоумение: она кажется одновременно плоской и нетипичной.
Спектроскопическое исследование для разгадки природы LRD
«Их природа является предметом споров, но мы считаем, что их источником энергии являются либо сверхмассивные черные дыры, либо интенсивная звездообразовательная деятельность», — пишут исследователи под руководством профессора Дараха Джафара Ватсона из Копенгагенского университета в исследовании, предварительно опубликованном на платформе . «Они демонстрируют очень необычные характеристики для сверхмассивных черных дыр, в частности очень слабое радио- и рентгеновское излучение», — добавляют они.
Чтобы прояснить природу этих необычных объектов, Уотсон и его коллеги изучили 12 LRD с помощью спектрографов высокого разрешения JWST, а затем сравнили результаты наблюдений с теоретическими моделями формирующихся сверхмассивных черных дыр.
Они обнаружили, что эти объекты окружены облаком высокоионизированного газа. Эта оболочка, состоящая из свободных электронов, может поглощать большую часть рентгеновских лучей и радиоволн, что объясняет их отсутствие в наблюдениях. Однако если облако достаточно плотное, чтобы затмить эти излучения, это означает, что черные дыры, которые оно покрывает, должны вырабатывать значительную энергию, чтобы LRD светили так ярко в инфракрасном и красном диапазонах.
Растущие черные дыры?
Исследователи предполагают, что центральные черные дыры LRD аккрецируют материю со скоростью, близкой к пределу Эддингтона — порогу, за которым давление испускаемого излучения уравновешивает гравитационное притяжение черной дыры. За этим пределом высвобождающаяся энергия выталкивает материю еще до того, как она будет поглощена.
Согласно оценкам, полученным в ходе исследования, их масса составляет от 10 000 до миллиона солнечных масс, что намного меньше массы обычных сверхмассивных черных дыр. Таким образом, эти LRD могут представлять собой раннюю стадию роста таких объектов.
Новое недостающее звено в эволюции сверхмассивных черных дыр?
На основании этих наблюдений ученые полагают, что LRD представляют собой переходный этап в генезисе сверхмассивных черных дыр. По мере роста они постепенно рассеивают окружающее их облако ионизированного газа. По завершении этого этапа они превращаются в классические АЯГ, видимые в нескольких областях электромагнитного спектра.
Эта гипотеза также может объяснить, почему в более поздней Вселенной не было обнаружено аналогов LRD: эти объекты уже давно превратились в полностью сформировавшиеся галактики, не оставив практически никаких следов своего светящегося прошлого.