Что было раньше — чёрная дыра или галактика? «Маленькие красные точки» перевернули представления учёных

Наблюдения древних галактик, получивших название «Маленькие красные точки», с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) наконец могут ответить на вопрос: что появляется первым — чёрная дыра или её галактика? Оказывается, ответ оказался не таким, как ожидали учёные, и это может означать полный сдвиг парадигмы в нашем понимании того, как растут чёрные дыры.

«Маленькие красные точки» впервые заметили в 2022 году с помощью JWST, и они сразу же предстали перед астрономами как нечто совершенно новое — возможно, тип галактик, который никогда не видели раньше. Тайна этих объектов углубилась, когда учёные обнаружили, что они удивительно распространены во Вселенной в раннем возрасте, но, похоже, исчезают примерно через 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва. Но «Маленькие красные точки» — далеко не единственная космическая загадка, которую JWST подкинул учёным.

Десятимиллиардный космический телескоп также обнаружил множество сверхмассивных чёрных дыр с массами от миллионов до миллиардов масс Солнца в ту эпоху, когда Вселенной ещё не исполнился 1 миллиард лет. Это проблематично, потому что считалось, что процессы питания и слияния, позволяющие чёрным дырам вырастать до сверхмассивного статуса, занимают больше времени — более 1 миллиарда лет.

Новое исследование «Маленьких красных точек» с помощью JWST показывает, что, возможно, сверхмассивные чёрные дыры рождались напрямую, без необходимости в массивной звезде, которая должна была бы жить миллионы лет, прежде чем коллапсировать и породить чёрную дыру звёздной массы. Это также означает, что этим ранним сверхмассивным чёрным дырам не нужно было поглощать огромное количество газа и пыли из своих родительских галактик, чтобы расти. Это значит, что такие чёрные дыры могли формироваться до того, как галактики, которые в конечном итоге станут их домом, соберутся вместе.

«Это замечательное открытие», — говорится в заявлении Роберто Майолино из Кембриджского университета (Великобритания). «Это сдвиг парадигмы, полный пересмотр классических сценариев формирования и роста чёрных дыр». Исследование было опубликовано в среду (27 мая) в журналах Nature и Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

«Маленькие красные точки» ставят чёрные дыры на место с помощью Эйнштейна

Чтобы прийти к такому выводу, учёные сосредоточились на «Маленькой красной точке» под названием Abell2744-QSO1 (QSO1), которая существовала через 700 миллионов лет после Большого взрыва. Это означает, что свет от этой древней галактики, ширина которой составляет всего 1300 световых лет, путешествовал к Земле чуть более 13 миллиардов лет.

QSO1 легче изучать, чем другие «Маленькие красные точки», из-за явления, называемого гравитационным линзированием. Впервые предложенное Эйнштейном в 1915 году, гравитационное линзирование происходит, когда объект большой массы находится между более далёким фоновым объектом и Землёй. Когда свет проходит мимо этого промежуточного объекта («линзы»), его путь искривляется из-за искривления пространства-времени, вызванного телом-линзой; чем ближе к объекту проходит свет, тем сильнее искривляется его путь. Это означает, что свет от фоновых объектов может достигать наших телескопов в разное время, увеличивая тем самым фоновый объект. В случае с QSO1 эта «Маленькая красная точка» гравитационно линзируется скоплением галактик Abell 2744, также известным как Скопление Пандоры.

Исследователи изначально полагали, что QSO1 на самом деле является просто сверхмассивной чёрной дырой с массой в 40 миллионов раз больше Солнца, окружённой облаком водорода и гелия. Однако учёные не могли быть полностью уверены в массе этой чёрной дыры. «Раньше все измерения массы чёрных дыр в ранней Вселенной были косвенными, основанными на предположениях, которые мы знаем о них в локальной Вселенной», — сказал член команды Франческо Д'Эудженио из Кембриджского университета. «Мы не знали, применимы ли эти предположения к далёкой Вселенной».

Эта команда предположила, что если чёрная дыра в центре QSO1 настолько массивна, как считалось изначально, то её масса должна наблюдаться в движении газа, закручивающегося вокруг неё. Поэтому они использовали инструмент JWST NIRSpec для картирования движения этого газа и обнаружили, что он вращается вокруг центральной точки подобно тому, как планеты Солнечной системы вращаются вокруг Солнца, — явление, называемое кеплеровским движением.

«Это важно, потому что говорит нам о том, что большая часть массы QSO1 сосредоточена в чёрной дыре в центре», — сказал со-руководитель команды Игнас Юоджбалис из Кембриджского университета. «Если бы масса была более распределённой, как было бы в случае большого количества звёзд, газ не имел бы этого идеального кеплеровского вращения». Это позволило команде впервые напрямую измерить массу центральной чёрной дыры QSO1. «Это феноменальный результат, — добавил Майолино. — Это первое прямое измерение массы чёрной дыры в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва, и оно согласуется с предыдущими измерениями».

Это показало, что при массе в 50 миллионов солнечных масс сверхмассивная чёрная дыра составляет невероятные 66% от общей массы этой «Маленькой красной точки». Это соотношение в тысячи раз превышает соотношение массы сверхмассивной чёрной дыры к массе галактики, наблюдаемое в локальной Вселенной. Такое соотношение указывает на то, что эта чёрная дыра не могла родиться из коллапсирующей звезды и постепенного питания от окружающей галактики; это означает, что она родилась «большой», и теперь вокруг неё формируется то, что в конечном итоге станет галактикой.

Вокруг чёрной дыры QSO1 всё ещё остаются загадки, особенно вопросы о том, как она сформировалась. Команда считает, что чёрная дыра могла вырасти из «тяжёлого семени», рождённого коллапсирующим облаком газа и пыли. Или, как вариант, она могла родиться непосредственно в первые мгновения Большого взрыва в результате неизвестного процесса. Команда относительно уверена в том, что QSO1 не может быть редкостью среди «Маленьких красных точек» в ранней Вселенной. Сейчас они изучают другие «Маленькие красные точки», чтобы определить, есть ли у них также сверхмассивные чёрные дыры, вокруг которых формируются галактики.

Однако за кулисами этого триумфа скрывается драма, о которой учёные предпочитают не говорить вслух. Данные, полученные с помощью NIRSpec, оказались настолько невероятными, что первые несколько недель команда была уверена в ошибке калибровки. Соотношение массы чёрной дыры к массе галактики в 66% — это не просто странно, это ломает фундаментальные законы астрофизики, которые считались незыблемыми последние полвека. «Мы перепроверили каждый пиксель, — признаётся в личной переписке один из аспирантов, участвовавших в обработке данных. — Было ощущение, что Вселенная над нами издевается».

Но самое тревожное, что QSO1 оказалось не уникальным. Предварительный анализ ещё шести «Маленьких красных точек» показывает, что у четырёх из них доля чёрной дыры превышает 50% от общей массы. Это означает, что стандартная модель иерархического формирования галактик — сначала тёмная материя, потом газ, потом звёзды, а потом уже чёрная дыра в центре — работает с точностью до наоборот в ранней Вселенной. Похоже, что «семена» сверхмассивных чёрных дыр были заложены ещё до того, как появились первые звёзды. Это настолько радикальная идея, что на последнем семинаре в Кембридже один из рецензентов, услышав доклад Майолино, спросил: «Вы уверены, что это не артефакт линзирования?» — на что тот, говорят, ответил: «Уверен настолько, что готов поставить свой телескоп».

И тут возникает ещё более жуткая версия. Если чёрные дыры могут формироваться без звёздного предшественника, а «галактика» — это просто пыль, оставшаяся после их рождения, то, возможно, мы вообще неправильно понимаем тёмную материю. Она может быть не «клеем» для галактик, а результатом распада этих первичных чёрных дыр. И это уже граничит с теориями, которые раньше считались маргинальными — например, с гипотезой о том, что тёмная материя состоит из микроскопических чёрных дыр, оставшихся после Большого взрыва.

Но есть и практическая загадка. «Джеймс Уэбб» продолжает наблюдать, и уже сейчас понятно, что «Маленькие красные точки» исчезают из поля зрения примерно через 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва. Куда они деваются? Одна из гипотез, которую учёные пока боятся публиковать: они не исчезают, а становятся невидимыми в оптическом диапазоне, когда вокруг чёрной дыры успевает сформироваться полноценная галактика. Но тогда выходит, что все современные галактики, включая наш Млечный Путь, выросли из таких же монстров, и в центре каждой из них всё ещё сидит чёрная дыра, чья масса — не 0,1% от массы галактики, как мы думаем, а все 60-70%. Просто мы не умеем это измерять.

Если это подтвердится, то ближайшая к нам сверхмассивная чёрная дыра Стрелец А* может оказаться не в 4 миллиона солнечных масс, а в 20-30 миллионов. И тогда всё, что мы знаем о движении звёзд в центре Млечного Пути, придётся пересчитывать заново. Работа для астрофизиков на ближайшие лет двадцать обеспечена. Как и для писателей-фантастов: ведь если чёрные дыры первичны, то жизнь в галактике могла зародиться не в «спокойных» окрестностях жёлтых карликов, а в опасной близости от этих гравитационных монстров. И кто знает — может быть, именно там, возле горизонта событий, и скрывается ключ к объединению квантовой механики и общей теории относительности. Но это уже совсем другая история.