В августе прошлого года астрофизик Дейл Кочевски разместил на сервере препринтов arXiv статью с предварительными данными о том, что новый космический телескоп James Webb Space Telescope (JWST) обнаружил в ходе одного из своих первых обзоров черных дыр. Ничего неожиданного астрономы не ждали.
«Джеймс Уэбб» нашел гораздо больше массивных черных дыр, чем предсказывала теория
Международная команда астрофизиков и астрономов, работающая с космическим телескопом «Джеймс Уэбб», показала в целой серии работ, что сверхмассивные черные дыры успели сформироваться в ранней Вселенной. Общее количество сверхмассивных черных дыр, родившихся в первые полмиллиарда лет развития Вселенной, превзошло все теоретически прогнозы и по количеству и по массе. Нужны новые теории.
Черные дыры (как показано на этой реконструкции) втягивают в себя газ и пыль, которые кружатся вокруг них, как вода в водостоке. European Southern Observatory/Science Photo Library
Открытия, которые каждый день делает космический телескоп «Джеймс Уэбб» ломают теорию и заставляют по новому увидеть раннюю Вселенную.
Но через несколько недель после этого сообщения начались открытия. Было сообщено о существовании в далекой Вселенной такого большего количества черных дыр, что астрономы и мечтали увидеть. Беспрецедентная мощность JWST позволила обнаружить огромный спектр этих объектов — от множества слабых, далеких черных дыр до нескольких необыкновенно ярких.
«Это действительно изучение тех частей Вселенной, которые раньше просто не были доступны нам технически», — говорит Ребекка Ларсон, астрофизик из Рочестерского технологического института в Нью-Йорке.
Исследования черных дыр, проводимые JWST, находятся на начальном этапе, и астрономы предупреждают, что многое еще предстоит выяснить. Но уже сейчас ясно, что открытия помогут ученым ответить на многие давние вопросы о черных дырах, например, о том, как им удалось сформироваться в самом начале истории Вселенной.
Семена роста
Черные дыры бывают разных размеров, но обнаруженные JWST — это массивные черные дыры, масса которых в миллионы и миллиарды раз превышает массу Солнца. Астрономы точно не знают, как образуются эти черные дыры, но, возможно, массивные звезды или газовые облака коллапсируют, а затем начинают втягивать в себя окружающие газ и пыль. В этом случае «семена» черных дыр будут быстро расти, пока не превратятся в гравитационную пропасть, скрывающуюся в сердце большинства галактик.
Сами черные дыры не видны — их огромная гравитация не выпускает даже свет, но их можно обнаружить по перегретому газу, который закручивается вокруг них, как вода в водостоке. До появления JWST астрономы изучали черные дыры с помощью ряда космических и наземных телескопов. Но они могли наблюдать только самые яркие черные дыры, в том числе и те, которые находятся относительно близко к Земле. JWST предназначен для наблюдения за светом, исходящим из далекой Вселенной, и может увидеть черные дыры, лежащие на огромных расстояниях.
Расстояние во Вселенной можно измерить величиной, известной как красное смещение: чем больше красное смещение объекта, тем он более удален и тем раньше он появился во Вселенной. Многие из обнаруженных JWST черных дыр находятся на красных смещениях от 4 до 6, что соответствует времени, когда возраст Вселенной составлял примерно 1-1,5 млрд лет.
На снимках JWST эти слабые черные дыры выглядят как небольшие и довольно невыразительные пятна, но «они явно отличаются» от окружающих их галактик, говорит Джоррит Матти, астрофизик из Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе.
К настоящему времени JWST обнаружил примерно в десять раз больше слабых черных дыр на этих красных смещениях, чем можно было бы ожидать, исходя из количества черных дыр, известных ранее. Почему так происходит, «мы пока не понимаем», — говорит Кохей Инайоши, астрофизик из Пекинского университета в Пекине.
Затаившиеся вдали
JWST обнаружил несколько самых далеких черных дыр из когда-либо наблюдавшихся. Самая далекая находится в центре хорошо изученной галактики под названием GN-z11, имеющей красное смещение 10,6. Это позволяет предположить, что уже через 400 млн лет после Большого взрыва зачатки черных дыр сформировались и смогли создать сверхмассивный объект. По словам Ханны Юблер, астрофизика из Кембриджского университета (Великобритания), предстоящие наблюдения позволят выяснить детали движения перегретого газа вокруг GN-z11, что может пролить свет на то, как черная дыра влияет на окружающее ее пространство.
JWST также обнаружил вероятную черную дыру на красном смещении 8,7 в галактике CEERS 1019. За первые 570 млн. лет существования Вселенной эта черная дыра каким-то образом успела накопить массу, в 9 млн раз превышающую массу Солнца. Есть даже кандидат в черные дыры на красном смещении 12. Это еще ближе к Большому взрыву.
По словам Раффаэллы Шнайдер (Raffaella Schneider), астрофизика из Римского университета Сапиенца, такие далекие открытия JWST согласуются с новой моделью рождения ранних черных дыр. Она и ее коллеги обнаружили, что большие черные дыры могут образовываться в ранней Вселенной, если на ранних стадиях они поглощают газ с невероятно высокой скоростью. Это противоречит максимальной скорости роста черных дыр, рассчитанной теоретически. Однако наблюдения JWST позволяют предположить, что некоторые черные дыры, такие как GN-z11, могут расти именно таким образом, и что теория, возможно, нуждается в пересмотре.