Ученые впервые зафиксировали галактику с черной дырой, появившейся до образования звезд

Новости МирТесен

Используя космические телескопы, ученым удалось обнаружить сотни очень древних и необычных объектов, получивших название «маленькие красные точки». Их внешний вид существенно отличается от всего, что известно ранее, что вызвало множество гипотез о том, что это может быть. Авторы нового исследования полагают, что им удалось разгадать тайну как минимум одного из этих объектов: это галактика, содержащая сверхмассивную черную дыру, но лишенную звезд, из которых она предположительно могла сформироваться.

До начала XXI века общепринятой моделью формирования галактик было следующее: изначально возникали первые массивные звезды, которые в процессе взрывов порождали черные дыры. После этого черные дыры объединялись и поглощали окружающий газ, увеличивая свою массу и эволюционируя в сверхмассивные объекты — с массой в миллионы или даже миллиарды масс Солнца. В 2010-х годах эта модель столкнулась с серьезными сомнениями. Оказалось, что многие галактики уже через миллиард лет после Большого взрыва содержали очень массивные черные дыры, в то время как в первые сотни миллионов лет существования Вселенной звезды попросту не успели образоваться.

Теперь в Nature опубликовали работу, ставящую под вопрос саму возможность образования первых сверхмассивных черных дыр из первых звезд Вселенной. Международная группа ученых показала, что объект Abell 2744−QSO1 — не просто черная дыра, массой не ниже 50 миллионов Солнц, но и объект, вокруг которого есть целая галактика. Только вот звездная масса этой галактики — меньше половины от массы ее центральной черной дыры.

Обычный механизм увеличения массы сверхмассивной черной дыры, похоже, здесь не действует. Черная дыра аккрецирует вещество с определенной скоростью, которая обусловлена физическими ограничениями (так называемым пределом Эддингтона). Телескопы регистрируют Abell 2744−QSO1 в том виде, в каком он существовал всего через 700 миллионов лет после Большого взрыва. Трудно представить, что за столь короткий промежуток времени черная дыра могла бы поглотить больше звезд и газа по массе, чем содержится в галактике, окружающей ее. К тому же, в ходе исследования ученые выяснили, что Abell 2744−QSO1 аккрецирует вещество гораздо медленнее, чем ее предел Эддингтона.

По словам авторов: «Насколько нам известно, это… делает QSO1 наиболее «обнаженной» массивной квазизвездной галактикой, когда-либо зафиксированной». Другими словами, эта галактика преимущественно состоит из черной дыры, окруженной гораздо меньшим количеством звезд, чем в любом другом известном объекте подобного типа. В областях Вселенной, расположенных относительно недалеко от нас, отношение массы черной дыры к массе окружающих ее звезд обычно составляет около тысячи.

Исследование подтверждает предыдущие данные, указывающие на крайне низкое содержание тяжелых элементов в данном объекте. Образование элементов, превосходящих по массе гелий и литий, происходит преимущественно в процессе развития звезд. Поэтому вполне закономерно, что в галактике с недостаточным количеством звезд их концентрация будет минимальной.

Ученые полагают, что наиболее вероятным объяснением существования столь крошечной «красной точки» является черная дыра, сформировавшаяся в самом начале существования Вселенной. Речь идет о таком типе черных дыр, которые не возникают из звезд, а образуются в результате иных, пока не до конца понятых процессов. В качестве потенциальных механизмов формирования авторы рассматривают прямой коллапс первичного газа в черные дыры, минующий стадию звездообразования. Также возможны первичные черные дыры, появившиеся в первые секунды после Большого взрыва, когда плотность вещества во Вселенной была крайне высокой.

Одновременно сценарий внезапного разрушения потребовал бы интенсивного ультрафиолетового излучения из данного региона. Однако никаких признаков подобного излучения там не зафиксировано. В связи с этим, а также учитывая крайне низкое содержание тяжелых элементов в этом районе, ученые-астрономы считают наиболее вероятным объяснением этой загадки Abell 2744−QSO1 первичное черное дыра. Тем не менее, и здесь возникает определенная трудность: большинство существующих моделей формирования первичных черных дыр указывают на то, что они образовались как объекты с небольшой массой. Как им удалось столь быстро объединяться в первые 700 миллионов лет после начала существования Вселенной, чтобы мы наблюдали Abell 2744−QSO1 с массой, равной половине массы звездного скопления — остается неясным.

Ученые полагают, что это может быть связано с формированием первых черных дыр в областях с высокой концентрацией вещества. Если такие скопления достаточно плотные, черные дыры могут легче объединяться. Однако, данная гипотеза имеет существенный недостаток: современные модели возникновения первичных черных дыр требуют использования нестандартных подходов, которые не основываются на проверенных физических принципах.

Существуют также модели эволюции Вселенной, согласно которым формирование объектов, аналогичных Abell 2744−QSO1, является закономерным процессом и не требует привлечения дополнительных физических принципов или теорий. В рамках гипотезы циклической Вселенной По мнению Николая Горькавого, чёрные дыры могут переходить из одной фазы эволюции Вселенной в другую, что позволяет им существовать и после Большого взрыва.

Большинство из них обладают массой, сравнимой с несколькими Солнцами (как, например, черные дыры, слияния которых фиксирует LIGO), однако некоторые реликтовые черные дыры изначально имели еще большую массу, возникшую в ранней Вселенной. Впоследствии они превращаются в центры формирования галактик, вокруг которых сначала образуются газовые облака, а затем и звезды.