Вважалося, що чорні діри виникають внаслідок колапсу мертвих зірок. Але зображення телескопа Вебба, яке показує ранній Всесвіт, натякає на альтернативний шлях.
Скільки є способів покинути цей всесвіт?
Мабуть, найвідоміший вихід тягне за собою смерть зірки. У 1939 році фізик Дж. Роберт Оппенгеймер і його учень Харлан Снайдер з Каліфорнійського університету в Берклі передбачили, що коли досить масивна зірка закінчується термоядерним паливом, вона колапсує всередину і продовжує колапсувати вічно, стискаючи простір, час і світло навколо себе в тому, що сьогодні називають чорною дірою.
Але виявилося, що мертва зірка може не знадобитися для створення чорної діри. Натомість, принаймні в ранньому Всесвіті, гігантські хмари первісного газу могли впасти безпосередньо в чорні діри, минаючи мільйони років, проведених у зоряному віці.
Це попередній висновок, який нещодавно прийшла група астрономів, які вивчають UHZ-1, пляму світла, що датується невдовзі після Великого вибуху. Насправді UHZ-1 є (або був) потужним квазаром, який викидав вогонь і рентгенівське випромінювання з жахливої чорної діри 13,2 мільярда років тому, коли Всесвіт був молодий ще 500 мільйонів років.
З точки зору космосу, це надзвичайно швидко для такої масивної чорної діри, яка з’явилася внаслідок колапсу та злиття зірок. Пріямвада Натараджан, астроном з Єльського університету та провідний автор статті, опублікованої в Astrophysical Journal Letters, та її колеги стверджують, що в UHZ-1 вони виявили новий небесний вид, який вони називають надмасивною галактикою чорної діри, або OBG. По суті, OBG — це молода галактика, закріплена чорною дірою, яка занадто швидко стала занадто великою.
Відкриття цього раннього квазара може допомогти астрономам вирішити пов’язану з цим загадку, яка мучила їх десятиліттями. Майже кожна видима галактика в сучасному Всесвіті, здається, містить у своєму центрі надмасивну чорну діру, яка в мільйони мільярдів разів перевищує масу Сонця. Звідки взялися ті монстри? Чи могли звичайні чорні діри так швидко вирости такими великими?
Доктор Натараджан та її колеги припускають, що UHZ-1, а отже, можливо, і багато надмасивних чорних дір, почалися як первісні хмари. Ці хмари могли зруйнуватися на ядра, які були передчасно важкими — і їх було достатньо, щоб почати ріст надмасивних галактик із чорними дірами. Вони ще одне нагадування про те, що Всесвітом, який ми бачимо, керує невидима геометрія темряви.
«Як перший кандидат у OBG, UHZ-1 надає переконливі докази утворення важких початкових насінин внаслідок прямого колапсу в ранньому Всесвіті», — написали доктор Натараджан та її колеги. В електронному листі вона додала: «Здається, природа створює насіння BH багатьма способами, крім просто зоряної смерті!»
Деніел Хольц, теоретик з Чиказького університету, який вивчає чорні діри, сказав: «Прія знайшла надзвичайно захоплюючу чорну діру, якщо це правда. Він просто занадто великий, занадто рано. Це як зазирнути в клас дитячого садка, а там серед усіх 5-річних дітей є один, який має 150 фунтів або шість футів на зріст».
Відповідно до історії, яку астрономи розповідали собі про еволюцію Всесвіту, перші зірки сконденсувалися з хмар водню та гелію, що залишилися після Великого вибуху. Вони швидко і гаряче горіли, швидко вибухаючи і руйнуючись у чорні діри, у 10-100 разів масивніші за Сонце.
Протягом еонів послідовні покоління зірок утворювалися з попелу попередніх зірок, збагачуючи хімічний склад космосу. А чорні діри, що залишилися після їхньої смерті, продовжували зливатися і якимось чином розростатися в надмасивні чорні діри в центрах галактик.
Космічний телескоп Джеймса Вебба був розроблений, щоб перевірити цю ідею. Він має найбільше дзеркало в космосі, діаметром 21 фут. Що ще важливіше, він був розроблений для запису інфрачервоних хвиль від світла найвіддаленіших і, отже, найдавніших зірок у Всесвіті.
Але щойно новий телескоп був спрямований на небо, він помітив нові галактики, настільки масивні та яскраві, що вони перевершили очікування космологів. Останні пару років точилися суперечки про те, чи справді ці спостереження загрожують давній моделі космосу. Модель описує Всесвіт як такий, що складається зі сліду видимої матерії, вражаючої кількості «темної матерії», яка забезпечує гравітацію, щоб утримувати галактики разом, і «темної енергії», що розштовхує ці галактики.
Відкриття UHZ-1 є точкою перелому в цих дебатах. Готуючись до майбутніх спостережень за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба за масивним скупченням галактик у сузір’ї Скульптора, команда доктора Натараджана попросила час на рентгенівську обсерваторію Чандра NASA. Маса кластера діє як гравітаційна лінза, збільшуючи об’єкти, розташовані далеко позаду нього в просторі та часі. Дослідники сподівалися побачити на рентгенівських променях те, що лінза могла б побачити.
Вони знайшли квазар, що живиться від надмасивної чорної діри, приблизно в 40 мільйонів разів масивнішої за Сонце. Подальші спостереження телескопа Webb підтвердили, що він перебуває на відстані 13,2 мільярдів світлових років. (Скупчення Скульптора знаходиться на відстані приблизно 3,5 мільярдів світлових років.) Це був найдальший і найдавніший квазар, знайдений у Всесвіті.
«Нам потрібен був Вебб, щоб знайти цю надзвичайно далеку галактику, а Чандра — щоб знайти її надмасивну чорну діру», — сказав Акос Богдан з Центру астрофізики Harvard & Smithsonian у пресрелізі. «Ми також скористалися космічним збільшувальним склом, яке збільшило кількість світла, яке ми виявили».
Результати показують, що надмасивні чорні діри існували ще через 470 мільйонів років після Великого вибуху. Цього недостатньо, щоб чорні діри, утворені першим поколінням зірок — починаючи з маси від 10 до 100 сонячних мас — виросли настільки великими.
Чи був інший спосіб створити ще більші чорні діри? У 2017 році доктор Натараджан припустила, що колапс хмар первісного газу міг породити чорні діри більш ніж у 10 000 разів масивніші за Сонце.
«Тоді ви можете уявити, як одна з них згодом виросте в цю молоду, передчасно велику чорну діру», — сказав доктор Хольц. У результаті, зазначив він, «у кожен наступний момент в історії Всесвіту завжди будуть якісь напрочуд великі чорні діри».
Доктор Натараджан сказала: «Той факт, що вони починають життя надмасивними, означає, що вони, ймовірно, з часом перетворяться на надмасивні чорні діри».
Але ніхто не знає, як це працює. Чорні діри складають 10 відсотків маси в ранньому квазарі UHZ-1, тоді як вони складають менше однієї тисячної відсотка маси сучасних галактик, таких як гігантська Мессьє 87, чия чорна діра важила 6,5 мільярдів сонячних мас, коли його знімок був зроблений телескопом Event Horizon у 2019 році.
Це свідчить про те, що складні ефекти зворотного зв’язку навколишнього середовища домінують у зростанні та еволюції цих галактик та їхніх чорних дір, спричиняючи збільшення їх маси в зірках і газі.
«Тож насправді ці надзвичайно ранні OBG дійсно телеграфують набагато більше інформації та просвітлюють зародкову фізику, а не пізніший ріст та еволюцію», – сказала доктор Натараджан. Вона додала: «Хоча вони мають важливі наслідки».
Доктор Хольц сказав: «Було б чудово, якби це виявилося те, що відбувається, але я щирий агностик». Він додав: «Це буде захоплююча історія незалежно від того, як ми розгадаємо таємницю ранніх великих чорних дір».
