Надмасивні чорні діри – це космічні феномени неймовірних розмірів, що формуються на світанку Всесвіту, і їхнє походження довгий час залишалося однією з найглибших загадок астрофізики. З того часу, як науковці вперше виявили існування цих гравітаційних монстрів у центрах більшості галактик, повне пояснення їхнього раннього виникнення і стрімкого зростання було вкрай складним завданням.
Однак нещодавні спостереження за допомогою Космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST) – найпотужнішого і найсучаснішого інфрачервоного телескопа, здатного зазирати у найвіддаленіші куточки часу, – можуть нарешті пролити світло на те, як ці велетні Всесвіту так швидко досягли своїх колосальних розмірів.
Незвичайний об’єкт QSO1
Об’єкт, позначений як QSO1, знаходиться у скупченні галактик Abell 2744, яке також називають Скупченням Пандори. Це велетенське космічне утворення, відоме своїм потужним гравітаційним лінзуванням, що дозволяє спостерігати світло від надзвичайно далеких джерел. Маса скупчення діє як природна лінза, яка фокусує та спотворює світло, роблячи віддалені об’єкти яскравішими і, часом, видимими у кількох місцях. Світло від QSO1 було випромінене, коли Всесвіту було лише близько 700 мільйонів років – за астрономічними мірками, це було дуже рано, адже його сучасний вік становить майже 14 мільярдів років.
Чорна діра в QSO1 була вперше проаналізована у лютому 2024 року. Тоді з’ясувалося, що галактика містить чорну діру, маса якої приблизно дорівнює 50 мільйонам сонячних мас. Подальше детальне дослідження, яке очолив Ігнас Юоджбаліс з Кембриджського університету, підтвердило первинну оцінку маси. Більше того, це дослідження однозначно показало, що QSO1 майже не має значної кількості газу чи зірок. Складається враження, що це не чорна діра в центрі галактики, а радше сама чорна діра панує над системою, а велика галактика, по суті, відсутня.
“Це дуже дивна система”, – зазначає Марта Волонтері, професорка Паризького інституту астрофізики та провідна експертка у сфері формування надмасивних чорних дір. Вона особисто брала участь в аналізі маси чорної діри і підтвердила результати своїх колег. “Я перевірила результати своїм власним кодом. Залишається дуже мало місця для будь-якої значної маси в системі, окрім маси чорної діри”, – додала вона. Для порівняння, надмасивна чорна діра Стрілець А*, що перебуває в серці нашого Чумацького Шляху, має масу, яка є лише крихітною часткою від загальної маси галактики. У випадку QSO1 маса чорної діри приблизно вдвічі перевищує масу навколишнього газу та зірок.
“Маленькі червоні крапки” та формування чорних дір
Коли JWST почав збирати дані у 2022 році, він відкрив дивовижну знахідку: численні компактні галактики червонуватого відтінку, які прозвали “маленькими червоними крапками”. Їх спостерігали в епохи, що відповідають періоду приблизно від 500 мільйонів до 1,5 мільярда років після Великого вибуху. Точна природа цих об’єктів досі залишається загадкою, але ці давні системи вказують на те, що галактики, чорні діри або і те, й інше еволюціонували раніше і з більшими масами чи щільностями, ніж астрономи вважали дотепер.
Зазвичай чорні діри формуються, коли масивні зорі вичерпують своє ядерне паливо і колапсують під дією власної гравітації. На зорі Всесвіту ці ранні чорні діри могли б зростати, поглинаючи зірки, газові хмари та інші чорні діри. Однак, коли астрономи обчислюють, наскільки швидко такі чорні діри зоряної маси могли б нарощувати речовину, їм важко пояснити, як вони могли перетворитися на космічних велетнів, яких спостерігає JWST.
Існує альтернативний сценарій: деякі чорні діри раннього Всесвіту могли утворитися не із зірок, а шляхом прямого колапсу величезних газових хмар значно більших мас. Такий сценарій підтримало відкриття об’єкта UHZ-1 – чорної діри, яка демонструє характерні ознаки прямого колапсу, згідно з дослідженням Пріямади Натараян з Єльського університету. Проте система QSO1, одна з кількох сотень “маленьких червоних крапок”, видається утвореною іншим шляхом.
Первинні чорні діри
У 1967 році радянські фізики Яків Зельдович та Ігор Новіков висунули гіпотезу про те, що на короткий момент після Великого вибуху деякі ділянки Всесвіту містили стільки матерії, що вони колапсували в чорні діри. Ця ідея була далі розвинена Стівеном Гокінгом у 1971 році, видатним британським фізиком-теоретиком, і відтоді досліджувалася багатьма астрофізиками як теоретично, так і спостережно.
Ці первинні чорні діри не тільки отримали б значну перевагу у своєму зростанні та розмірі, але й опинилися б у самому центрі галактик, які формуються навколо них. “Те, що чорна діра в QSO1 так сильно зросла без утворення зірок, вказує на випадок, коли вона розвивалася значно швидше за галактику”, – пояснює Марта Волонтері.
“Мої співавтори припускали, що її походження може бути пов’язане з первинною чорною дірою або ж з темною матерією, яка колапсувала через взаємодію сама з собою”, – зауважує Волонтері. “У будь-якому випадку, чорна діра виникла значно раніше за звичайну матерію, таку як газ та зірки”.
Питання полягає в тому, чи вирішує відкриття QSO1 давню дилему – що з’явилося першим: галактика чи чорна діра в її центрі? “Це лише один об’єкт, який все ще знаходиться на стадії дослідження. Я сподіваюся, що весь цей аналіз вірний, але це дуже складна справа. Проте, те, що ми раніше називали нестандартними моделями, можливо, вже не є настільки неординарним”, – підсумувала Волонтері.
