Ровесница Вселенной: что означает открытие самой далекой и древней черной дыры

С помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» ученые обнаружили черную дыру массой в миллионы или даже сотни миллионов солнц, уже существовавшую всего через 500 млн лет после Большого взрыва. Это серьезная заявка на статус самой далекой и древней из когда-либо наблюдавшихся черных дыр и огромный вызов для науки о Вселенной. Научная статья об открытии опубликована в авторитетном журнале Astrophysical Journal Letters.

Машина времени на орбите

Запуск космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) открыл новую эпоху в астрономии. Беспрецедентная чувствительность этого инструмента позволила ученым наблюдать намного более тусклые — и, соответственно, далекие — объекты, чем когда-либо прежде. Это очень важно, ведь, вглядываясь вглубь Вселенной, мы смотрим в прошлое. Большой взрыв произошел 13,8 млрд лет назад. Лучи от недавно открытой черной дыры шли до нас 13,3 млрд лет, то есть мы видим ее такой, какой она была всего через 500 млн лет после Большого взрыва.

«Уэбб» открыл целые классы совершенно новых, ни на что не похожих объектов, например маленькие красные точки. Название «красные» — это условность, ведь «Уэбб» наблюдает Вселенную в невидимых глазу инфракрасных лучах. Однако эти лучи изначально были световыми. Просто за миллиарды лет своего путешествия световые волны растянулись из-за расширения Вселенной и превратились в инфракрасные.

«Открытие маленьких красных точек, по ранним данным JWST, стало большим сюрпризом, поскольку они совершенно не похожи на галактики, наблюдаемые космическим телескопом «Хаббл», — объясняет соавтор работы Стивен Финкельштейн в пресс-релизе Техасского университета в Остине. — Сейчас мы пытаемся понять, что они собой представляют и как они образовались».

Финкельштейн с соавторами изучили маленькую красную точку, обозначенную как CAPERS-LRD-z9, и пришли к выводу, что это галактика, в центре которой угнездилась сверхмассивная черная дыра.

Поиск черных дыр по приметам

Лучи CAPERS-LRD-z9, напомним, добирались до Земли 13,3 млрд лет. Как можно понять природу столь далекого объекта? Ведь телескоп не видит никаких подробностей: точка — она и есть точка.

На помощь приходит спектр — излучение объекта, рассортированное по длинам волн, или, упрощенно говоря, по «цвету». Всем знаком спектр солнечного света в виде радуги: самые короткие волны — фиолетовые, самые длинные — красные. У излучения сверхмассивной черной дыры тоже есть спектр, и он имеет четко различимые особенности.

Дело в том, что сама черная дыра, как ей и положено, ничего не излучает. Излучает вращающийся вокруг нее диск вещества, раскаленного до сотен миллионов градусов. Вращение накладывает свой отпечаток на спектр диска.

Вы наверняка замечали, что звук приближающегося мотоцикла кажется выше, а удаляющегося — ниже. Это происходит потому, что звуковые волны от приближающегося объекта становятся короче, а от удаляющегося — длиннее. Этот закон действует не только для звуковых волн, но и для электромагнитных, в частности инфракрасных и световых. Когда объект удаляется от нас, волны становятся длиннее, то есть «краснеют», а когда приближается — короче, т.е. «синеют».

Теперь возьмите какой-нибудь предмет (эффект будет заметнее на плоском объекте вроде смартфона). Поднимите его на уровень глаз и медленно поверните вокруг вертикальной оси. Окажется, что одна сторона вращающегося предмета удаляется от ваших глаз, а другая приближается к ним. То же самое происходит с диском, вращающимся вокруг черной дыры. С одной стороны диска приходят «сильно покрасневшие» волны, а с другой — «сильно посиневшие». И хотя вся галактика выглядит просто точкой, спектр с двумя «горбами» — в «красной» и «фиолетовой» области — выдает наличие диска, быстро вращающего вокруг черной дыры.

Тщательное изучение спектра CAPERS-LRD-z9 не только подтвердило, что в центре объекта угнездилась сверхмассивная черная дыра, но и позволило надежно измерить расстояние до нее. Оно оказалось рекордным. По словам Финкельштейна, астрономы нашли несколько более отдаленных кандидатов в черные дыры, но спектр этих объектов известен плохо, поэтому их природа все еще под сомнением. Впрочем, в научной статье авторы выражаются осторожнее. Они называют CAPERS-LRD-z9 самой далекой лишь среди определенного класса галактик с активно излучающими черными дырами.

Рождение монстров

Исследователи оценили массу черной дыры: от нескольких миллионов до сотен миллионов солнц. Почтенный возраст CAPERS-LRD-z9 обостряет вопрос, давно уже не дающий астрономам покоя: как образовались сверхмассивные черные дыры?

Ученые хорошо понимают, как образуются небольшие черные дыры. Это остатки отгоревших массивных звезд. Сегодня предельная масса звезды — около 100 солнц, так что в итоге образуется черная дыра массой в несколько десятков солнечных. Первые звезды Вселенной, вероятно, имели массу в многие сотни и тысячи солнц. Оставшиеся от них черные дыры могли достигать и ста солнечных масс. Но между сотней и миллионом лежит пропасть.

Согласно одной из теорий, «звездные» черные дыры массой в сотни солнц послужили затравкой для роста сверхмассивных исполинов. Гравитация исходной черной дыры стягивала на себя окружающий газ и пыль. От этого «хищница» набирала массу. Вместе с ней росло и ее тяготение, привлекая новые порции вещества. Черная дыра росла как снежный ком и в итоге увеличилась до сверхмассивной.

Это хорошо звучит, но детальные расчеты показывают иную картину. Мы уже говорили, что вокруг черной дыры вращается диск раскаленного вещества. Почему эта материя просто не падает в черную дыру? По той же причине, по которой планеты не падают на Солнце. Если объект движется достаточно быстро, он не падает на тяготеющий центр, а обращается вокруг него по орбите. Другое дело, что внутренние и внешние части диска находятся на разном расстоянии от черной дыры, а потому вращаются с разной скоростью — в самых внутренних частях диска она сравнима со световой. К слову, именно трение между различными слоями диска и разогревает его до чудовищных температур. Но главное, что из-за этого трения вещество теряет необходимую скорость и постепенно, по спирали, оседает на черную дыру. Так что «хищница» все-таки растет, но довольно медленно.

Раскаленная материя излучает почти все виды электромагнитных волн, от радиоволн до рентгеновских лучей. Общая светимость диска может достигать сотен триллионов солнц. Парадоксально, но сверхмассивные черные дыры — самые яркие объекты во Вселенной. Почему это важно в контексте их роста? Излучение оказывает давление на предметы, это выяснил еще великий русский физик П. Н. Лебедев. В земных условиях давление света регистрируется лишь чувствительными приборами, а вот в раскаленном диске вокруг черной дыры все иначе. Этот диск не может быть слишком большим, иначе его разорвет собственное излучение. В общем, если все аккуратно посчитать, то сверхмассивная черная дыра вряд ли сможет вырасти из «звездной» затравки за какие-то 500 млн лет.

Видимо, затравочная черная дыра должна быть гораздо массивнее — тысячи солнц и более. Такой монстр может образоваться при столкновении и слиянии множества черных дыр звездной массы. Для этого необходимо, чтобы огромное количество массивных звезд находилось очень близко друг к другу — например, в тесном скоплении. Есть и более экзотические сценарии. Некоторые из них привлекают загадочную темную материю или требуют «подкрутить» самые фундаментальные положения науки о происхождении и эволюции Вселенной.

В целом никто пока не знает, как возникли сверхмассивные черные дыры, тем более — в такой короткий срок. Но работа ученых состоит не в том, чтобы все знать, а в том, чтобы постепенно делать неизвестное известным. Изучение самых далеких черных дыр, таких как CAPERS-LRD-z9, должно в этом помочь.