Загадка слишком массивных чёрных дыр ранней Вселенной может оказаться иллюзией

Астрономы предложили новое объяснение загадочных компактных объектов ранней Вселенной, обнаруженных космическим телескопом James Webb. Согласно новым расчётам, некоторые так называемые Маленькие красные точки (Little Red Dots) могут быть не обычными активными галактиками с неожиданно массивными чёрными дырами, а квазизвёздами — системами, в которых растущая чёрная дыра скрыта внутри огромной звёздоподобной газовой оболочки. В этом случае массы центральных чёрных дыр могут быть значительно меньше прежних оценок, что потенциально снимает одну из проблем, возникших после первых глубоких наблюдений JWST.

Маленькие красные точки представляют собой компактные красные источники, которые JWST обнаруживает в больших количествах в ранней Вселенной. Некоторые из них существовали всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Их спектры часто содержат широкие эмиссионные линии, которые обычно связывают с газом, быстро движущимся вокруг активно поглощающей вещество сверхмассивной чёрной дыры.

Если интерпретировать эти линии стандартным способом, для некоторых Маленьких красных точек получаются чрезвычайно большие массы чёрных дыр относительно окружающих их молодых галактик. Возникает вопрос, каким образом центральные объекты успели вырасти настолько быстро на раннем этапе истории Вселенной.

Оливия Кёртис и её коллеги предложили проверить альтернативную гипотезу. Они рассмотрели Маленькие красные точки как возможные квазизвёзды — экзотические объекты, в которых чёрная дыра находится внутри массивной непрозрачной оболочки газа. Энергия, выделяемая при поглощении вещества чёрной дырой, поддерживает такую оболочку, а наружу система излучает через сравнительно холодную псевдофотосферу.

Исследователи подробно проанализировали четыре Маленькие красные точки, в спектрах которых наблюдается сильное молекулярное или атомное поглощение. Для моделирования галактик и окружающих центральные объекты оболочек использовались независимые численные методы, позволившие определить температуры, поверхностную гравитацию и другие параметры предполагаемых фотосфер.

Все четыре объекта оказались в сверхэддингтоновском режиме. Рассчитанное отношение их светимости к соответствующему пределу Эддингтона составило примерно от 4 до 299. Верхнее значение авторы считают менее надёжным, поскольку оно находится на границе диапазона использованных атмосферных моделей и выходит за пределы проведённого моделирования.

Предел Эддингтона характеризует светимость, при которой давление излучения начинает противодействовать гравитационному притяжению вещества. Поэтому настолько высокие значения означают, что исследованные объекты нельзя просто описывать как обычные спокойные звёздоподобные системы. Они должны находиться в крайне интенсивном режиме аккреции и терять часть окружающего вещества.

Массы газовых оболочек четырёх Маленьких красных точек исследователи оценили примерно в 700–27 000 масс Солнца. Согласно модели квазизвезды, масса находящейся внутри чёрной дыры должна составлять менее трети массы такой оболочки. Это приводит к гораздо меньшим значениям, чем некоторые оценки, полученные традиционными методами для активных ядер галактик.

Особенно показателен объект GN-28074. Полученная в новой модели оценка центральной массы оказалась примерно на пять порядков величины ниже опубликованной ранее вириальной оценки. Разница составляет около ста тысяч раз. Если новая интерпретация верна, GN-28074 не требует существования аномально массивной чёрной дыры в молодой галактике.

Это важно для понимания одного из неожиданных результатов JWST. Обнаружение очень массивных чёрных дыр на больших красных смещениях заставило астрономов искать механизмы, позволяющие им чрезвычайно быстро набирать массу. Новая работа показывает, что по крайней мере часть этой проблемы может быть связана не с необычно быстрым ростом, а с тем, как интерпретируется излучение Маленьких красных точек.

При этом сценарий квазизвезды не устраняет необходимость быстрого формирования чёрных дыр. Наоборот, расчёты показывают чрезвычайно интенсивный рост центральных объектов. В исследованных системах чёрные дыры способны удваивать свою массу примерно за 0,05–3,5 миллиона лет. При таком темпе они могут сформировать чёрные дыры промежуточной массы менее чем за 30 миллионов лет.

Исследователи дополнительно проверили гипотезу на объекте WIDE-EGS-2974, спектр которого демонстрирует поглощение водой. Два компонента, использованные для описания его спектра, дали одинаковое отношение к пределу Эддингтона. Авторы считают это результатом, согласующимся с происхождением поглощения в протяжённой атмосфере вокруг центрального источника, как и предполагает модель квазизвезды.

После детального анализа четырёх объектов учёные расширили исследование ещё на 82 Маленькие красные точки из архивных наблюдений. Сверхэддингтоновские фотосферы обнаруживаются во всей рассмотренной популяции. Расчёты показывают, что такие системы должны создавать мощные ветры со скоростью примерно в 1–3 раза выше скорости убегания вещества с их поверхности.

На основании этих результатов авторы предлагают возможную последовательность эволюции Маленьких красных точек. Сначала объект существует как массивная система, поддерживаемая чрезвычайно интенсивным выделением энергии возле растущей чёрной дыры. По мере эволюции давление излучения усиливает потерю вещества, возникают всё более мощные ветры, а внешняя оболочка постепенно рассеивается.

В таком сценарии Маленькие красные точки могут представлять короткую раннюю стадию роста будущих массивных чёрных дыр. JWST в этом случае наблюдает не уже сформировавшиеся сверхмассивные объекты, необъяснимо быстро достигшие огромной массы, а их значительно менее массивных предшественников в период чрезвычайно быстрого роста.

Авторы подчёркивают, что работа пока не доказывает, что все Маленькие красные точки являются квазизвёздами. Однако впервые удалось самосогласованно получить массы и эддингтоновские отношения этих объектов в рамках такого сценария. Проверить гипотезу помогут дальнейшие спектроскопические наблюдения JWST и сравнение предсказанных свойств массивных оболочек и их ветров с реальными спектрами Маленьких красных точек.

Исследование представлено в виде препринта на arXiv и направлено для публикации в журнал The Astrophysical Journal.