Сверхмассивные черные дыры растут, поглощая материю вокруг себя. Фото предоставлено: М. Корнмессер/ESO
Астрономы, исследующие далекую Вселенную с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, самого мощного телескопа НАСА, обнаружили класс галактик, которые бросают вызов даже самым искусным существам в мимикрии — таким как осьминог-мимик. Это существо может подражать другим морским животным, чтобы избежать хищников. Ты, должно быть, камбала? Без проблем. Морской змей? Без проблем.
Когда астрономы проанализировали первые изображения отдаленных частей Вселенной, сделанные Уэббом, они обнаружили группу галактик, никогда ранее не наблюдавшихся. Эти галактики (несколько сотен из них называются маленькими красными точками) очень красные и компактные и видимы только в течение примерно миллиарда лет космической истории. Как и осьминог-имитатор, маленькие красные точки озадачивают астрономов, потому что они похожи на разные астрофизические объекты. Это либо очень тяжелые галактики, либо галактики среднего размера, каждая из которых содержит в своем ядре сверхмассивную черную дыру.
Однако одно можно сказать наверняка. Типичная маленькая красная точка мала и имеет радиус всего 2% радиуса Млечного Пути. Некоторые еще меньше.
Как астрофизик, изучающий далекие галактики и черные дыры, я заинтересован в понимании природы этих маленьких галактик. Что питает их свет и что они собой представляют на самом деле?
Вселенная полна бесчисленных галактик, и телескоп Уэбба помог астрономам изучить некоторые из них. Изображения предоставлены: НАСА, ЕКА, ККА, STScI.
Конкурс имитаций
Астрономы анализируют свет, который наши телескопы получают от далеких галактик, чтобы определить их физические свойства, например количество содержащихся в них звезд. Мы можем использовать свойства их света, чтобы изучить маленькие красные точки и выяснить, состоят ли они из множества звезд или внутри них есть черная дыра.
Длина волны света, достигающего наших телескопов, варьируется от длинных радиоволн до гамма-лучей высокой энергии. Астрономы разбивают свет на разные частоты и визуализируют их в виде диаграммы, называемой спектром.
Иногда в спектре присутствуют эмиссионные линии, т. е. диапазоны частот, в которых происходит более интенсивное световое излучение. В этом случае мы можем использовать форму спектра, чтобы предсказать, есть ли в галактике сверхмассивная черная дыра, и оценить ее массу.
Аналогично, изучение рентгеновского излучения галактики может выявить существование сверхмассивной черной дыры.
Эти маленькие красные точки, величайшие мастера камуфляжа, выглядят как разные астрофизические объекты в зависимости от того, изучают ли астрономы их с помощью рентгеновских лучей, эмиссионных линий или чего-то еще.
Информация, которую астрономы собрали на основе спектров и эмиссионных линий маленьких красных точек, привела к созданию двух расходящихся моделей, объясняющих их природу. Эти объекты представляют собой либо чрезвычайно плотные галактики с миллиардами звезд, либо сверхмассивную черную дыру.
Две гипотезы
Согласно гипотезе, состоящей только из звезд, маленькие красные точки содержат огромное количество звезд — до 100 миллиардов звезд. Это примерно такое же количество звезд, как и в Млечном Пути — гораздо большей галактике.
Представьте себе, что вы стоите один в огромной пустой комнате. Это обширное тихое пространство представляет собой область Вселенной вблизи нашей Солнечной системы, где редко разбросаны звезды. А теперь представьте себе ту же самую комнату, но заполненную всем населением Китая.
В центре самых плотных маленьких красных точек было бы так же многолюдно, как и в этой комнате. Эти астрофизические объекты могут представлять собой самую плотную звездную среду во всей Вселенной. Астрономы даже не уверены, могут ли такие звездные системы существовать физически.
Еще есть гипотеза черной дыры. Большинство маленьких красных точек ясно свидетельствуют о наличии в их центре сверхмассивной черной дыры. Астрономы могут определить, существует ли в галактике черная дыра, просматривая в своих спектрах большие эмиссионные линии, создаваемые газом, вращающимся на высоких скоростях вокруг черной дыры.
Фактически, астрономы полагают, что эти черные дыры слишком массивны по сравнению с размером их компактных родительских галактик.
Черные дыры обычно имеют массу около 0,1% звездной массы родительских галактик. Однако некоторые из этих маленьких красных точек содержат черные дыры, которые почти столь же массивны, как и вся их галактика. Астрономы называют эти черные дыры сверхмассивными черными дырами, потому что их существование противоречит обычному соотношению, обычно наблюдаемому в галактиках.
Однако есть еще одна загвоздка. В отличие от обычных черных дыр, те, которые, как полагают, существуют в маленьких красных точках, не имеют признаков рентгеновского излучения. Даже на самых глубоких и энергичных изображениях, доступных астрономам, чтобы они могли легко наблюдать эти черные дыры, их следов нет.
Мало решений и много надежд
Так являются ли эти астрофизические диковинки массивными галактиками со слишком большим количеством звезд? Или в их центре находятся сверхмассивные черные дыры, которые слишком массивны и не излучают достаточно рентгеновских лучей? Какая загадка.
Благодаря дальнейшим наблюдениям и теоретическому моделированию астрономы постепенно находят возможные решения. Возможно, маленькие красные точки состоят из звезд, но эти звезды настолько плотные и компактные, что имитируют линии излучения, обычно видимые из черной дыры.
Или, возможно, в ядре этих маленьких красных точек скрываются сверхмассивные – даже сверхмассивные – черные дыры. Если это так, отсутствие рентгеновского излучения можно объяснить двумя моделями.
Во-первых, вокруг черной дыры может плавать огромное количество газа, который будет блокировать часть высокоэнергетического излучения, испускаемого центром черной дыры. Во-вторых, черная дыра может всасывать газ гораздо быстрее, чем обычно. Этот процесс даст другой спектр с меньшим количеством рентгеновских лучей, чем обычно видят астрономы.
Визуализация температуры газа, собирающегося вокруг двух сверхмассивных черных дыр. Черные дыры находятся в центре изображений. Самые жаркие регионы более красные, температура достигает примерно 180 миллионов градусов по Фаренгейту. Черная дыра слева окружена более холодным газом и производит гораздо меньше рентгеновских лучей. Фото предоставлено: Фабио Пауччи и Рамеш Нараян, 2024 г.
Тот факт, что черные дыры слишком велики или массивны, возможно, не является проблемой для нашего понимания Вселенной, а, скорее, является лучшим ключом к пониманию того, как образовались первые черные дыры во Вселенной. Если первые сформировавшиеся черные дыры действительно были очень массивными — примерно в 100 000 раз больше массы Солнца, — теоретические модели предполагают, что отношение массы черной дыры к массе родительской галактики будет продолжать меняться еще долго после того, как они сформировались, может оставаться высоким.
Так как же астрономы могут раскрыть истинную природу этих крошечных точек света, которые сияли в начале времен? Как и в случае с нашим мастером маскировки – осьминогом – секрет заключается в наблюдении за их поведением.
Используя телескоп Уэбба и более мощные рентгеновские телескопы, мы в конечном итоге воспользуемся дополнительными наблюдениями, чтобы обнаружить особенность, которую астрономы могут отнести только к одному из двух сценариев.
Например, если бы астрономы могли четко обнаружить рентгеновские лучи, радиоизлучение или инфракрасное излучение вокруг возможной черной дыры, они бы знали, что гипотеза черной дыры верна.
Так же, как наш морской друг может притворяться морской звездой, в конце концов он пошевелит щупальцами и раскроет свою истинную природу.
Информация от: Разговором
