«Маленькие красные точки» могут быть связаны с рождением массивных чёрных дыр
Загадочные компактные галактики, обнаруженные космическим телескопом «Джеймс Уэбб» в ранней Вселенной, могут представлять собой системы, внутри которых формируются массивные чёрные дыры. Новое моделирование показало, что так называемые Little Red Dots — «маленькие красные точки» — можно объяснить галактиками с чёрными дырами прямого коллапса, всё ещё окружёнными массивными газовыми дисками, из которых они возникли.
Little Red Dots стали одной из наиболее необычных категорий объектов, найденных JWST. Они наблюдаются преимущественно на красных смещениях от z = 4 до z = 8, соответствующих первым примерно 1,5 млрд лет истории Вселенной, отличаются красным цветом, характерными V-образными спектрами и чрезвычайно компактными размерами — порядка 100–200 парсеков. Объяснить все эти свойства одновременно существующим моделям оказалось сложно.
Дэниел Уэйлен и его коллеги предложили более простое объяснение. Согласно их космологическому моделированию, Little Red Dots могут быть молодыми галактиками, в центре которых массивная чёрная дыра возникла в результате прямого коллапса. В этом сценарии большое облако газа не проходит обычный путь образования множества звёзд, а быстро коллапсирует, создавая массивный зародыш будущей сверхмассивной чёрной дыры.
После рождения чёрная дыра остаётся скрыта внутри чрезвычайно плотного газового диска. Высокая плотность вещества в его центральной области задерживает рентгеновское излучение от чёрной дыры. Одновременно часть ультрафиолетового и видимого света, а также переработанного инфракрасного излучения способна покидать систему. В моделях именно такая конфигурация создаёт характерные особенности спектров Little Red Dots, включая наблюдаемое бальмеровское поглощение.
Расчёты также показали, что рядом с растущей чёрной дырой должна формироваться чрезвычайно плотная область звёздообразования. В моделировании возникло звёздное скопление массой около 100 миллионов масс Солнца и радиусом примерно 150 парсеков. Эти параметры согласуются с компактными размерами Little Red Dots, измеренными по наблюдениям JWST.
Особенно важно, что одна модель смогла воспроизвести широкий диапазон реально наблюдаемых объектов. Исследователи получили спектры, похожие как на относительно типичную Little Red Dot RUBIES-EGS-42046 при z = 5,28, так и на MoM-BH*-1 при z = 7,76 с чрезвычайно сильным бальмеровским скачком. Модель также применима к CAPERS-LRD-z9 при z = 9,29 — объекту, который мы наблюдаем таким, каким он существовал всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.
Если гипотеза подтвердится, Little Red Dots могут оказаться особенно важными для решения одной из главных загадок современной космологии — происхождения сверхмассивных чёрных дыр. Астрономы обнаруживают чёрные дыры массой в миллионы и миллиарды солнечных масс уже в очень молодой Вселенной, однако остаётся неясным, как они успели вырасти до таких размеров. Прямой коллапс массивных газовых облаков позволяет начать рост с гораздо более тяжёлого «зародыша», чем обычная чёрная дыра звёздной массы.
В таком случае JWST может наблюдать не просто необычные ранние галактики, а короткий этап их эволюции, когда внутри них формируются и начинают расти массивные чёрные дыры. Однако пока это результат численного моделирования, а не окончательное доказательство природы Little Red Dots. Потребуются дополнительные спектроскопические наблюдения, позволяющие проверить характерные предсказания сценария прямого коллапса.
Исследование на сервере препринтов arXiv и направлено для публикации в The Astrophysical Journal Letters.