Согласно разработанной астрофизиками модели, таинственные плотные объекты в ранней Вселенной, известные как «маленькие красные точки», являются черными дырами. Предполагается, что они образовались непосредственно из газовых облаков, минуя длительный процесс звездной эволюции. Такой механизм, называемый прямым коллапсом, объясняет необычно большую массу этих объектов и отсутствие у них рентгеновского излучения.
Космический телескоп «Джеймс Уэбб» был разработан для исследования объектов, сформировавшихся вскоре после Большого взрыва. В этот период времени оптика телескопа зафиксировала множество необъяснимых источников света, которые астрономы прозвали «маленькими красными точками». Эти объекты отличались небольшими размерами (менее 100 парсек), но демонстрировали чрезмерную яркость.
Ранее предполагалось, что это могут быть небольшие галактики с интенсивным звездообразованием или квазары, в которых в центре находятся сверхмассивные черные дыры, как это обычно и бывает. Но эти гипотезы не соответствовали существующим научным представлениям, поскольку для создания подобных объектов необходимо гораздо больше времени.
«Маленькие красные точки» возникли, когда Вселенной было всего несколько сотен миллионов лет, однако их масса эквивалентна миллионам Солнц. Стандартная модель не способна объяснить столь стремительный рост, поскольку для превращения звездных остатков в сверхмассивные объекты времени оказалось недостаточно. Ещё одна необычность заключалась в том, что активные черные дыры, как правило, испускают сильный рентгеновский сигнал, в то время как «маленькие красные точки» не проявляли активности в этом диапазоне.
В новой публикации ученые из Гарварда утверждают, что таинственные объекты возникли в результате непосредственного сжатия газовых облаков, состоящих из плотного водорода. Результаты опубликовали на сервере препринтов arXiv и отправили на рецензирование в журнал Nature.
Астрофизики создали подробную модель, основанную на радиационно-гидродинамических процессах. В ходе расчетов было установлено, как облака холодного газа взаимодействуют при аккреции на формирующуюся черную дыру. Моделирование отслеживало перемещение вещества и воздействие излучения на близлежащие области пространства. Результаты продемонстрировали формирование очень плотной структуры, которая поглощает высокоэнергетическое излучение и преобразует его в свет с другими характеристиками.
После этого ученые перевели компьютерное моделирование в спектр, который был бы доступен для наблюдения с помощью телескопа, с поправкой на красное смещение. Сформированный график сопоставили с фактическими данными наблюдений за типичным объектом из класса «красных точек» — RUBIES-EGS 42046. Этот источник света расположен на таком расстоянии, которое указывает на ранний этап формирования Вселенной. Его спектр демонстрировал необычные характеристики: незначительный рентгеновский сигнал и наличие линий тяжелых элементов, при этом не было обнаружено признаков звездообразования.
Созданная виртуальная модель «черной дыры прямого коллапса» оказалась практически идентичной данным, полученным с помощью телескопа, при этом расхождения не превысили 10%. Модель смогла воссоздать характерную V-образную форму спектра и зарегистрировать линии, соответствующие тяжелым элементам, без использования предположений о наличии звезд. Проведенные расчеты показали, что телескоп зафиксировал плотный газовый слой, скрывающий за собой быстрорастущий гигант.
По данным исследований, значительное количество газа поглощает энергию и затем переизлучает её в инфракрасной области спектра, благодаря чему объекты приобретают красноватый оттенок. Проведенные вычисления продемонстрировали, что телескоп способен наблюдать формирование массивных черных дыр, которые возникают непосредственно из газа, что противоречит временным рамкам, установленным в стандартной модели.
Новое открытие разрешило один из парадоксов, с которыми сталкивается современная космология – проблему так называемых «тяжелых зародышей». Астрофизики продемонстрировали, каким образом сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной могли не подвергаться длительной и медленной эволюции, а сформироваться оперативно и результативно. В настоящее время у науки есть эмпирическое подтверждение, основанное на мощной теоретической модели, объясняющей, как возникли эти гравитационные гиганты в центрах большинства галактик.