«Красные точки» больше не ломают космологию: телескоп Джеймса Уэбба нашел разгадку в черной дыре-звезде

Астрономы, работающие с космическим телескопом Джеймса Уэбба, возможно, вплотную приблизились к разгадке тайны «маленьких красных точек» в ранней Вселенной. Команда исследователей изучила один из таких странных объектов, получивший обозначение GLIMPSE-17775, и обнаружила убедительные доказательства того, что перед нами — черная дыра-звезда: ненасытно питающаяся, стремительно растущая сверхмассивная черная дыра, укутанная в плотное облако частично ионизированного газа.

Маленькие красные точки начали попадаться в поле зрения ученых, когда телескоп Джеймса Уэбба только приступил к отправке данных на Землю летом 2022 года. Некоторые исследователи тогда заявили, что эти объекты «сломали космологию», поскольку они в изобилии присутствуют уже спустя 600 миллионов лет после Большого взрыва, но, судя по всему, полностью исчезают к тому моменту, когда Вселенной исполняется два миллиарда лет. Предлагалось несколько объяснений их природы, но в лидеры гонки гипотез постепенно выбилась концепция черных дыр-звезд. Если эти объекты действительно существуют, то исчезновение красных точек объясняется их недолгими, но чудовищно интенсивными всплесками роста, которые буквально выжигают их изнутри; либо же растущая в центре сверхмассивная черная дыра со временем рассеивает плотную газопылевую завесу, меняя облик объекта и превращая его в более типичную активную галактику.

Загвоздка, однако, заключалась в том, что до сих пор астрономам не удавалось собрать наблюдательных доказательств того, что эти красные точки и правда являются черными дырами-звездами. Все изменилось, когда «Джеймс Уэбб» навел объективы на скопление галактик Abell S1063, выступающее в роли гравитационной линзы, и запечатлел красную точку GLIMPSE-17775 — такой, какой она была спустя 1,8 миллиарда лет после Большого взрыва. Собранные данные представляют собой самый глубокий спектр света от маленькой красной точки, полученный на сегодняшний день, и, по словам ученых, содержат множественные линии доказательств, указывающие именно на черную дыру-звезду.

«Мне кажется, часть научного сообщества сходится во мнении, что маленькие красные точки можно объяснить моделями черных дыр-звезд. Но ни у одной из ранее обнаруженных точек не было всего комплекта доказательств в одном месте, — пояснил в официальном заявлении Василий Кокорев из Техасского университета в Остине. — С объектом GLIMPSE-17775 мы наконец-то можем протестировать эти модели, потому что его спектр обладает потрясающей глубиной».

Разгадка пришла с помощью Эйнштейна

JWST мельком заметил GLIMPSE-17775, занимаясь поисками самого первого поколения звезд в нашей Вселенной — так называемых звезд «Населения III». Телескоп искал эти гипотетические светила в галактиках, входящих в скопление Abell S1063. Само по себе это скопление представляет собой гравитационную линзу: его колоссальная масса искривляет ткань пространства и времени, объединенных в единую четырехмерную сущность — пространство-время. Иными словами, луч света от объекта, расположенного «позади» скопления, следует изгибу пространства-времени по пути к нашему наблюдательному пункту. Это может создавать эффект увеличения.

Феномен гравитационного линзирования был впервые предсказан Альбертом Эйнштейном в его общей теории относительности, и именно благодаря ему ученые вообще смогли разглядеть GLIMPSE-17775 — фактически превратив 30 часов наблюдательного времени почти в 80.

«Когда мы впервые увидели спектр, это было похоже на рассыпанную по полу головоломку, — вспоминает Кокорев. — Мы подбирали каждый кусочек, измеряли линии и начинали собирать мозаику. Поначалу некоторые фрагменты, казалось, не складывались ни во что, но потом пара из них сошлась, и мы поняли: здесь что-то есть».

Команда идентифицировала сразу несколько свидетельств в пользу того, что GLIMPSE-17775 — это черная дыра-звезда. В их числе — излучение элементов, которое не соответствует картине, ожидаемой от вращающегося газового облака. Вместо этого эмиссионные линии указывают на рассеивание электронов, характерное для ситуации, когда источник мощного излучения окутан обширным и плотным газовым коконом. На присутствие такого удушающего покрывала указывают также признаки флуоресценции и поглощения радиации гелием. Увидели ученые и спектральные линии железа, которые окрестили «железным лесом», — это как раз то, что ожидается от высокоэнергетического излучения стремительно питающейся сверхмассивной черной дыры.

Если маленькие красные точки — это быстро аккрецирующие сверхмассивные черные дыры, окутанные плотными газовыми оболочками, то становится понятно, почему эти загадочные объекты так слабо светятся в рентгеновском диапазоне: их коконы попросту поглощают высокоэнергетическое излучение, не давая ему вырваться наружу.

Впрочем, в наблюдениях GLIMPSE-17775 есть и пробел. Обычно у маленьких красных точек наблюдается характерный провал в спектре, известный как «бальмеровский скачок». Команда считает, что у GLIMPSE-17775 эта особенность выражена слабее, чем у других, потому что объект окружен чрезвычайно массивной родительской галактикой, чей свет «замывает» провал. Таким образом, полученные данные идеально вписываются в наше понимание эволюции Вселенной, словно недостающий кусочек грандиозного пазла. «Всё сходится, ничего не сломано, и, думаю, от этого головоломка мироздания становится только прекраснее, — заключил Кокорев. — Теперь мне не терпится заглянуть еще глубже и выяснить, что именно приводит в движение центральные моторы этих красных точек. Хотя мы склоняемся к черной дыре, существуют и другие, весьма любопытные теории — и это воодушевляет. Возможно, через год или два мы получим окончательный ответ на вопрос о том, что питает энергией эти источники».

Исследование было опубликовано в среду, 10 июня, в журнале The Astrophysical Journal. Теперь, когда паника о «сломанной космологии» понемногу утихает, астрономы могут с облегчением выдохнуть: ранняя Вселенная снова обретает стройность, просто ей потребовалось немного больше времени, чтобы раскрыть свои секреты.