Астрономи за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба виявили в ранньому Всесвіті надзвичайно яскравий компактний червоний об’єкт, який не можна пояснити звичайним зоряним випромінюванням. За даними SciTechDaily, найпереконливіше пояснення полягає в тому, що це новий тип астрофізичного об’єкта — так звана «чорнодіркова зоря».
Об’єкт, позначений як MoM-BH*-1, виглядає як надзвичайно яскрава зоря, оточена газом приблизно в масштабі Сонячної системи. Водночас він випромінює приблизно у 100 мільярдів разів більше енергії, ніж може фізично виробити будь-яка відома зоря на основі ядерного синтезу. На думку дослідників, у центрі прихована чорна діра, занурена в гігантську щільну оболонку водню.
Чорнодіркова зоря на світанку Всесвіту
MoM-BH*-1 спостерігається таким, яким він був лише через кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху. Стаття з описом об’єкта опублікована в журналі Nature. Провідний автор Рохан Найду (Rohan Naidu), стипендіат NASA Hubble та Pappalardo в Інституті Кавлі з астрофізики та космічних досліджень MIT, оцінює масу центральної чорної діри приблизно у 100 тисяч мас Сонця.
Навколо цієї чорної діри, за моделями, розташована розширена газова оболонка, яка за розмірами може сягати масштабів Сонячної системи. З великої відстані така структура нагадує гігантську зорю, хоча джерело енергії в ній зовсім інше — не термоядерний синтез, а акреція речовини на чорну діру.
На зображеннях JWST цей об’єкт виглядає як одна з так званих «маленьких червоних цяток» — компактних, дуже червоних джерел, які масово трапляються в далеких куточках Всесвіту. Вони стали однією з головних загадок епохи JWST: частина їхніх властивостей вказує на активні чорні діри, а інша — нагадує зорі або молоді галактики.
MoM-BH*-1 особливий тим, що, на відміну від багатьох інших таких об’єктів, його випромінювання майже повністю домінує над світлом можливої навколишньої галактики. Це дає рідкісну можливість «заглянути» безпосередньо в центральний двигун системи.
Програма «Міраж чи диво» і надзвичайна червоність
Команда Найду знайшла MoM-BH*-1 у межах програми JWST під назвою «Mirage or Miracle» («Міраж чи диво», MoM), яка була спрямована на пошук дуже далеких галактик. Після запуску JWST астрономи зіткнулися з проблемою: деякі джерела в ранньому Всесвіті виявилися настільки яскравими, що виглядали як надто масивні галактики, які нібито сформувалися надзвичайно швидко. Виникло питання, чи це справжні «дива», чи оптичні «міражі».
MoM-BH*-1 виявився винятково червоним: дуже яскравим на довгих хвилях і майже невидимим на коротких. Спектроскопічні вимірювання показали червоний зсув близько 7,76, що відповідає епосі так званого космічного світанку.
Зазвичай надмірну червоність астрономи пояснюють пилом: дрібні частинки навколо зорі, галактики чи чорної діри поглинають і розсіюють короткохвильове світло, роблячи об’єкт «червонішим», ніж він є насправді. Однак MoM-BH*-1 не поводився як типовий об’єкт, затемнений пилом.
Найглибший «розрив Бальмера» і майже первинна хімія
У спектрі MoM-BH*-1 виявили надзвичайно різкий стрибок яскравості, відомий як розрив Бальмера. Нижче певної довжини хвилі кількість зафіксованого світла різко падає. Подібний ефект спостерігається, наприклад, у зорі Вега, де водень в атмосфері поглинає частину фотонів. Але в MoM-BH*-1 цей розрив виявився найглибшим з усіх, коли-небудь зафіксованих, що практично виключає пояснення через звичайне зоряне населення.
Детальний аналіз показав, що сила розриву Бальмера сягає приблизно 7,7 — значення, яке, за розрахунками авторів, неможливо отримати від нормальних популяцій зір без пилу. Це наштовхнуло їх на думку, що вони бачать щось на кшталт «зоряної атмосфери», але в гігантському масштабі.
Ще одна підказка — хімічний склад. У спектрі майже не видно слідів елементів важчих за водень і гелій. Така «бідність» на важкі елементи робить об’єкт унікальним навіть серед інших далеких джерел.
Чорна діра в газовому коконі
Щоб пояснити спостереження, дослідники протестували різні моделі незвичайних конфігурацій газу. Виявилося, що надзвичайно червоний спектр можна отримати, якщо навколо джерела є дуже щільний шар водню без значної домішки пилу. Такий шар більше нагадує поверхню гігантської зорі, ніж розріджену туманність.
У запропонованій моделі в центрі знаходиться чорна діра, яка активно поглинає речовину. Падаючи на неї, газ вивільняє колосальну кількість енергії. Оточувальний водень поглинає, розсіює та «перепаковує» це випромінювання, перш ніж воно виривається назовні. Для віддаленого спостерігача вся структура виглядає як надяскрава зоря з «фальшивою» поверхнею.
За розрахунками, газова оболонка простягається на відстань приблизно від 10 до 100 астрономічних одиниць (одна астрономічна одиниця — середня відстань від Землі до Сонця). Один із представницьких варіантів моделі використовує оболонку близько 40 астрономічних одиниць. Газ виконує роль своєрідної зоряної атмосфери, тоді як енергію забезпечує акреція на чорну діру.
Занадто яскраво для звичайної зорі
Ключовий аргумент проти звичайної зорі — неймовірна світність MoM-BH*-1. Об’єкт виглядає як зоря, але є приблизно у 100 мільярдів разів яскравішим, ніж дозволяють межі енерговиділення через ядерний синтез. Жодна відома зоря не може підтримувати таку потужність.
Чорна діра, навпаки, здатна забезпечити подібні рівні яскравості за рахунок енергії, що виділяється під час падіння речовини. Активні надмасивні чорні діри живлять квазари — одні з найяскравіших постійних джерел у Всесвіті. Команда включила в моделі акреційну чорну діру, оточену щільним воднем, і отримала спектр, який добре відтворює найдивніші риси MoM-BH*-1: екстремальний розрив Бальмера, слабке ультрафіолетове випромінювання та незвичайні лінії водню.
Точна маса чорної діри залишається невизначеною й залежить від деталей моделі. Найду наводить сценарій із масою близько 100 тисяч сонячних, тоді як у статті розглядаються й варіанти до мільйона мас Сонця. Автори наголошують, що звичні методи «зважування» далеких активних чорних дір можуть давати хибні результати в таких екстремальних умовах, коли щільний газ сильно змінює спостережуване світло.
Як чорні діри так швидко виросли
Астрономи вже давно знають про існування надмасивних чорних дір із масами близько мільярда Сонць у часи, коли Всесвіту було менше мільярда років. Пояснити настільки швидке зростання складно: здається, що для цього просто не вистачає космічного часу.
Одна з гіпотез передбачає, що молоді чорні діри проходили фази надзвичайно інтенсивного живлення, занурені в масивні запаси газу. Щільні оболонки могли затримувати й перерозподіляти випромінювання, дозволяючи чорній дірі продовжувати поглинати речовину в режимах, які відрізняються від того, що спостерігається в більшості близьких галактик.
MoM-BH*-1 може бути прикладом саме такої фази. Його властивості узгоджуються зі сценаріями, де рання чорна діра оточена й «підживлюється» щільним газом під час спалаху винятково швидкої акреції. Як саме формуються такі системи, поки що незрозуміло.
Є навіть попередні натяки на змінність яскравості MoM-BH*-1: спостереження, виконані в різний час, вказують на можливе збільшення світності приблизно на 30%. Однак автори застерігають, що ці дані отримані в різних конфігураціях спостережень, тож потрібні додаткові вимірювання. Якщо змінність підтвердиться, це стане ще одним аргументом на користь активної компактної чорної діри в центрі.
Можливий ключ до загадки «маленьких червоних цяток»
Назва MoM-BH*-1 розшифровується як перший кандидат у «чорнодіркові зорі» в межах програми MoM. Дослідники підозрюють, що цей об’єкт може бути не унікальним, а радше особливо «оголеним» представником значно ширшого класу джерел.
За словами Найду, кожна з відомих «маленьких червоних цяток» узгоджується з ідеєю чорнодіркової зорі, вбудованої в молоду галактику. У випадку MoM-BH*-1 чорнодіркова зоря настільки яскрава, що практично повністю затьмарює своє галактичне оточення, і ми бачимо майже «чисте» її світло.
Інші дослідження також натякають, що йдеться не про одиничну космічну дивину, а про цілу популяцію подібних об’єктів. Аналіз десятків «маленьких червоних цяток» виявив ознаки щільних газових оболонок навколо центральних чорних дір, а окремі роботи вже ідентифікували сотні кандидатів, у яких світло може бути доміновано компонентами типу чорнодіркових зір.
Якщо інтерпретація MoM-BH*-1 підтвердиться, це допоможе пояснити, як чорні діри у ранньому Всесвіті так швидко набирали масу, і водночас дасть ключ до розгадки природи загадкових «маленьких червоних цяток», які JWST бачить майже всюди на космічному світанку.
#JWST #виявив #чорнодіркову #зорю #яскравішу #за #будьяку #зірку
Source link
