JWST выяснил, что «маленькие красные точки», вероятно, являются «звездами с черными дырами»

С момента начала своей работы космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) коренным образом изменил наше понимание ранней Вселенной, запечатлев изображения таинственных, компактных и чрезвычайно красных объектов, разговорно называемых «маленькими красными точками» (LRD). В течение нескольких лет астрономы спорили о том, являются ли эти источники с высоким красным смещением (обнаруженные в диапазоне от $z \sim 2$ до $z \sim 9$) крошечными сверхплотными галактиками или скрытыми активными ядрами галактик (АЯГ). Новое прорывное исследование, проведенное группой ученых, в которую вошли Gabriel Brammer, Priyamvada Natarajan и Sandro Tacchella, предлагает третью, более экзотическую возможность: эти объекты представляют собой звезды — черные дыры (BH*), переходную фазу, в которой растущая черная дыра замурована внутри массивной плотной газовой оболочки, полностью затмевающей свою родительскую галактику.

Что обнаружил JWST в ранней Вселенной?

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) обнаружил популяцию компактных объектов с высоким красным смещением, известных как «маленькие красные точки», которые выглядят необычайно красными на длинах волн собственной оптической области спектра. Эти источники, возникшие всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, демонстрируют экстремальную светимость и компактную структуру, что бросает вызов существующим моделям формирования галактик и роста черных дыр.

Открытие этих объектов стало неожиданностью, поскольку их спектральные характеристики не соответствовали в точности ни одному из известных небесных тел. Изначально дискуссия велась вокруг того, вызвана ли их краснота древними звездными популяциями в «спокойной» галактике или сильным поглощением пылью вокруг центральной черной дыры. Исследовательская группа использовала высококачественные спектры NIRSpec/PRISM выборки из 98 LRD, чтобы глубже изучить эти «маленькие красные точки» и выявить конкретный механизм, обеспечивающий их колоссальную выходную энергию.

Чтобы изолировать истинную природу этих объектов, исследователи разработали новую схему отделения центрального «двигателя» от окружающей родительской галактики. Они исходили из предположения, что эмиссионная линия [OIII] 5008Å возникает исключительно в межзвездной среде родительской галактики, а не в компактном ядре. Вычтя вклад родительской галактики на основе этой линии, команда обнажила лежащее в основе спектральное распределение энергии (СРЭ) «сердца» LRD, что предоставило первые доказательства существования звезд — черных дыр на уровне популяции.

Являются ли «маленькие красные точки» на самом деле звездами — черными дырами?

Данные свидетельствуют о том, что многие «маленькие красные точки» действительно питаются энергией звезд — черных дыр, которые представляют собой центральные сингулярности, окутанные толстыми непрозрачными газовыми оболочками. После вычитания света родительской галактики исследователи обнаружили, что оставшееся ядро напоминает СРЭ, подобное излучению абсолютно черного тела с температурой около 4 050 К, что гораздо больше соответствует газовой оболочке, чем традиционной галактике.

Модель «звезды — черной дыры», которую часто называют квазизвездой, описывает уникальное состояние материи, при котором черная дыра растет с ускоренной скоростью внутри массивной гидростатической оболочки. Исследование показало, что усредненный спектр этих LRD после вычитания вклада родительской галактики демонстрирует бальмеровский скачок, который более чем в два раза сильнее тех, что наблюдаются в массивных «спокойных» галактиках. Эта специфическая особенность является «характерным признаком» плотных газовых оболочек, а не света старых звезд, что указывает на то, что основным источником наблюдаемого излучения является черная дыра.

Согласно выводам Brammer, Natarajan и Tacchella, эти звезды — черные дыры обладают невероятной светимостью: болометрическая светимость составляет $\log(L_{\rm{bol}}) \sim 43,9$ эрг/с, а эффективный радиус — примерно 1 300 а. е. Исследование указывает на то, что в типичной LRD на долю звезды — черной дыры приходится:

• Примерно 20% ультрафиолетового (УФ) излучения.
• Около 50% света в области бальмеровского скачка.
• Почти 90% света на длинах волн больше H$\alpha$.

Как черная дыра растет внутри газовой оболочки?

Черная дыра растет внутри газовой оболочки, поглощая массу со скоростью, превышающей стандартный предел Эддингтона, в то время как окружающий газ удерживает возникающее излучение. Это создает плотный кокон под давлением, где гравитационное притяжение уравновешивается внешним давлением энергии черной дыры, в результате чего возникает стабильная, но кратковременная «звездоподобная» структура.

Спектроскопические данные подтверждают эту модель «скрытого» роста через наблюдение крутого бальмеровского декремента ($H\alpha/H\beta > 10$). Столь высокое отношение указывает на сильно запыленную и плотную среду, где пыль и газ значительно краснят свет, выходящий изнутри. Кроме того, команда обнаружила многочисленные чувствительные к плотности особенности, включая эмиссионные линии FeII, HeI и OI, которые редко встречаются в обычных галактиках, но характерны для газовых облаков высокой плотности, окружающих мощный источник энергии.

Исследование постулирует, что эти звезды — черные дыры преимущественно располагаются в маломассивных галактиках ($M_{\star} \sim 10^{8} M_{\odot}$), которые недавно пережили интенсивные вспышки звездообразования. Наличие экстремальных эквивалентных ширин эмиссионных линий — таких как [OIII] 5008Å на уровне 1100Å и CIII] на уровне 12Å — указывает на тесную связь между быстрым звездообразованием и рождением этих массивных «зародышей» черных дыр. Такая среда обеспечивает необходимый резервуар газа для поддержания оболочки во время начального расширения черной дыры.

Значение для роста сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной

Открытие фазы звезды — черной дыры имеет глубокое значение для понимания того, как первые сверхмассивные черные дыры во Вселенной сформировались так быстро. Стандартные модели аккреции часто с трудом объясняют, как черные дыры достигли массы в миллиарды солнечных в течение первого миллиарда лет космической истории. Однако механизм звезды — черной дыры допускает быстрый «сверхэддингтоновский» рост, пока объект остается скрытым и фактически невидимым до тех пор, пока оболочка со временем не рассеется.

Исследователи оценивают, что эти объекты имеют относительно короткий цикл активности — около 1%, что соответствует времени жизни примерно в 10 миллионов лет. Несмотря на эту кратковременность, данные свидетельствуют о том, что звезды — черные дыры настолько распространены в ранней Вселенной, что почти каждая массивная черная дыра, видимая сегодня, могла когда-то пройти через эту фазу «маленькой красной точки». Это позволяет предположить, что LRD являются не эволюционным тупиком, а универсальным «скачком роста» для черных дыр.

В будущем наблюдения с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб», скорее всего, будут сосредоточены на «голубых АЯГ с широкими линиями», которые, по мнению исследователей, могут представлять фазу, следующую за звездой — черной дырой, когда плотная газовая оболочка начинает рассеиваться. Изучая переход от скрытых газом «точек» к светящимся открытым квазарам, астрономы надеются составить карту всего жизненного цикла самых массивных обитателей Вселенной — от космического рассвета до наших дней.