Астрономи, користуючись даними Космічного телескопа імені Джеймса Вебба, оголосили про виявлення перших слідів так званих «монстрів-зір» у дуже віддаленому кутку Всесвіту – свідчення, що допомагає зрозуміти, як надмасивні чорні діри могли досягти величезних мас уже за мільярд років після Вибуху.
Незвичний хімічний підпис
Спостереження стосуються галактики GS 3073, яка утворилася приблизно за мільярд років після Вибуху. У спектрах цієї галактики дослідники помітили аномально високий відносний вміст азоту порівняно з киснем – співвідношення близько 0,46 – такого поєднання зазвичай не зустрічають у звичайних зорях або звичних зоряних вибухах. Саме цей «хімічний слід» відповідає передбаченням моделей для первинних зір величезної маси, що існували на ранніх етапах космосу.
За оцінками команди, кожна з таких зір могла важити від 1 000 до 10 000 мас Сонця. Вони горіли яскраво, але дуже недовго – кілька сотень тисяч років, а потім колапсували у чорні діри. Дослідники припускають, що подібні об’єкти могли дати початок деяким із найперших надмасивних чорних дір.
Як виник азот у GS 3073
Фізична схема проста, але незвична: у гігантських зорях під час горіння гелію утворювався вуглець, який потім проникав у зовнішню оболонку, де відбувалося горіння водню. У цій зоні вуглець і водень взаємодіяли, породжуючи азот. Конвективні потоки розносили цей елемент по всій зорі, а згодом він потрапляв у міжзоряне середовище, збагачуючи газ, із якого формувалися наступні покоління об’єктів.
Дослідники також виявили, що потрібна дуже специфічна маса зорі, щоб утворити саме такий хімічний малюнок: менші за ~1 000 мас Сонця або більші за ~10 000 не дають потрібного співвідношення елементів. Це вказує на певну «вузьку область» мас, у якій відбувається такий тип збагачення.
Загадка надмасивних чорних дір
Команда підкреслює: якщо інтерпретація підтвердиться, виникає елегантне пояснення двом давнім питанням астрономії – чому в таких ранніх галактиках спостерігається багато азоту і звідки взялися великі чорні діри. У GS 3073, ймовірно, вже є активна чорна діра, яка пожирає матерію в центрі галактики; це може бути залишком одного з описуваних «монстрів».
Існують й інші гіпотези походження перших надмасивних чорних дір. Дехто пропонує, що вони утворилися шляхом прямого гравітаційного колапсу надщільних хмар газу незабаром після Вибуху. Є й більш екзотичні ідеї, що пов’язують процес із темною матерією або іншими незвичними механізмами. Проте нові спостереження дають вагомий аргумент на користь сценарію, де гігантські зорі прискорюють народження гігантських чорних дір.
Про команду та інститути
Дослідження виконали вчені з Центру астрофізики Гарвард-Смітсонівського інституту (CfA) у Кембриджі, штат Массачусетс, та з Інституту космології й гравітації при Портсмутському університеті у Великій Британії. CfA – один із провідних наукових центрів у галузі астрономії й астрофізики в США, відомий своїми широкими програмами спостережень і теоретичними розробками. Інститут у Портсмуті спеціалізується на космології та моделюванні ранніх етапів еволюції Всесвіту.
У статті, опублікованій у журналі Astrophysical Journal Letters, одним із співавторів є Деніел Вален з Портсмутського інституту; він відзначив, що ці «космічні гіганти» були примітивні й мали коротке життя, порівнявши це з великими тваринами минулого як метафору для швидкоплинності явища. Девеш Нандал, постдок у Інституті теорії та обчислень при CfA, допоміг інтерпретувати нестандартне співвідношення елементів і зв’язати його з моделями первинних зір.
Кілька слів про інструмент спостереження
Космічний телескоп імені Джеймса Вебба, запущений у грудні 2021 року, працює в інфрачервоному діапазоні й дозволяє заглядати в часи, коли перші зорі та галактики тільки формувалися. Проєкт – міжнародна співпраця NASA, ЄКА та Канадського космічного агентства – розширив можливості астрономів помітно далі, ніж це було доступно попереднім обсерваторіям, і тепер дає змогу знаходити слабкі спектральні сигнатури, які раніше були недоступні.
Що таке квазари і надмасивні чорні діри
Квазари – надзвичайно яскраві активні ядра галактик, що світяться завдяки матеріалу, що падає на надмасивну чорну діру. Такі об’єкти у ранньому Всесвіті допомагають вченим відстежити процеси зростання чорних дір і формування галактик. Поява слідів азоту в GS 3073 може вказувати, що одна з перших надмасивних чорних дір утворилася саме після колапсу гігантської зорі, а не лише внаслідок акумуляції й злиття менших об’єктів.
