Телескоп «Джеймс Уэбб» с момента своего запуска в 2021 году регулярно преподносит сюрпризы. Одним из самых интригующих открытий стал класс объектов, которые астрономы прозвали «маленькие красные точки» (Little Red Dots).
Эти крошечные, тусклые объекты появляются в ранней Вселенной в гораздо большем количестве, чем ожидалось. Они имеют характерный V-образный спектр — яркие в ультрафиолете и оптическом диапазоне, но с провалом между ними — а также широкие эмиссионные линии, указывающие на активные черные дыры. При этом у них почти нет рентгеновского, радио- и инфракрасного излучения. Они не похожи на обычные галактики, но и не полностью похожи на квазары. Что же это такое?
Группа исследователей из Нанкинского (Китай) и Массачусетского университета (США) предложила объяснение, которое укладывается в стандартную космологическую модель ΛCDM и не требует привлечения «новой физики». Свою работу, опубликованную на сервере препринтов (нерецензированных научных статей) arXiv, они построили на основе модели формирования галактик, прослеживающей эволюцию систем от зарождения черных дыр больше 13 млрд лет назад.
Согласно модели, большинство зародышей черных дыр формируются при красном смещении выше 20 (когда Вселенной было меньше 200 млн лет) внутри крошечных «мини-гало» из первых звезд первого поколения. Эти зародыши уже находятся в режиме черных дыр промежуточной массы, но их массы (от сотен до тысяч масс Солнца) недостаточны, чтобы самостоятельно питать «маленькие красные точки».
Что же превращает их в загадочные объекты? Ответ — сверхэддингтоновская аккреция. Это процесс питания черной дыры со скоростью, превышающей теоретический предел Эддингтона (названный в честь астрофизика Артура Эддингтона), который определяет максимальную светимость, при которой давление излучения уравновешивает гравитационное притяжение. В обычных условиях черная дыра не может поглощать вещество быстрее этого предела, иначе излучение просто «сдует» падающий газ. Однако в некоторых условиях, например, при быстром слиянии галактик, этот предел может временно нарушаться.
Авторы называют эти эпизоды «ядерными вспышками» (nuclear bursts). Они короткие, но невероятно бурные. Когда галактика испытывает внезапное гравитационное возмущение (например, слияние или тесное сближение с другой галактикой), запускается одновременный процесс: черная дыра начинает поглощать вещество со скоростью до 10 раз выше предела Эддингтона, а в компактном ядре вспыхивает интенсивное звездообразование. Именно эта двойная активность и порождает загадочный V-образный спектр. Молодые звезды из ядерных вспышек дают синее ультрафиолетовое свечение, а сверхэддингтоновская черная дыра дает красное оптическое свечение.
К тому времени, когда эти объекты наблюдаются как «маленькие красные точки» при красном смещении 5 (примерно через миллиард лет после Большого взрыва), их черные дыры уже успевают вырасти до масс от 100 тыс. до 1 млн солнечных масс благодаря повторяющимся ядерным вспышкам.
Важнейшее преимущество этой модели в том, что она не требует подгонки параметров. «Наша модель — одна из первых, которая самосогласованно включает формирование зародышей черных дыр и их коэволюцию с галактиками и гало темной материи в космологическом контексте, — пишут исследователи. — Это допускает возникновение популяции маленьких красных точек как естественный исход парадигмы ΛCDM, а не результат тонкой подстройки».
Судьба этих объектов, согласно модели, может быть разной. Некоторые из них со временем поглощаются массивными галактиками и становятся частью самых ярких скоплений. Другие эволюционируют почти в изоляции, их черные дыры почти не растут после красного смещения 5, и в итоге они превращаются в карликовые галактики или объекты, похожие на шаровые скопления.
И, наконец, одно из ключевых предсказаний модели: те маленькие красные точки, которые «Уэбб» уже обнаружил, — лишь вершина айсберга. Существует гораздо более многочисленная популяция менее ярких черных дыр в той же самой бурной фазе роста, которые находятся за пределом чувствительности текущих инструментов. Они просто ждут своего часа, когда более мощные телескопы или более длительные наблюдения смогут их обнаружить.
Ранее Наука Mail рассказывала, как ученым удалось «взвесить» древнюю черную дыру с помощью «Уэбба».
