Вчені за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST), можливо, відкрили колосальну чорну діру нечуваних розмірів. За попередніми розрахунками, її маса може складатися в дев'ять мільйонів мас Сонця. А це означає, що вона утворилася на самому початку Всесвіту, понад 13 млрд років тому.
Астрономічний об'єкт сформувався в ядрі молодої галактики вже через 570 мільйонів років після Великого вибуху. Відтак питання, як виникають такого роду феномени, залишається нерозкритим. Сучасні космологічні теорії дають значно більший час для їх утворення.
За весь час астрономічних спостережень дослідники виділили два типи чорних дір: об'єкти зоряної маси та надмасивні чорні діри. Перша група виникає, коли вибухають гігантські зірки, а потім наднові колапсують в дещо з великою гравітацією. Друга група - надмасивні чорні діри, вони в мільйони разів масивніші за Сонце і знаходяться в центрах галактик.
Деякі науковці говорять, що вони “утримують” матерію в середині зоряних островів. Також не виключається, що гравітаційні ефекти ЧД ми сприймаємо як прояв “непомітної” темної матерії.
Однак в останній час переважає гіпотеза, згідно з якою надмасивні чорні діри виникають з інших чорних дір зоряної маси, коли ті поступово накопичують матерію й розвиваються до колосальних розмірів.
Однак нещодавно астрономи виявили чорні діри, маса яких у мільярд разів перевищує масу Сонця. Вони з'явилися через мільярд років після Великого вибуху, що дотепер вважалося неможливим. Жодна фізична теорія не допускає вірогідності такої події.
"Це одна з головних загадок сучасної астрономії, - каже Масафуса Оноуе, дослідник з Інституту астрономії та астрофізики імені Кавлі при Пекінському університеті в Китаї.
Таємниця чорної діри
Щоб розгадати нову загадку, вчені заглиблюються у вивчення давнього світла, яке пройшло 13,7 мільярда років, через всю історію Всесвіту.
Методологічне припущення: на таких величезних відстанях пил може затримувати значну частину випромінювання, “перетворюючи” ранні чорні діри в надслабкі для спостережень об'єкти.
Коли світло подорожує від далеких галактик до Землі, воно поступово зазнає спотворень, зміщуючись у бік більших довжин хвиль і переходячи в інфрачервону область електромагнітного спектра. Наприклад, у дослідженні CEERS вивчалися дані високочутливих інфрачервоних інструментів JWST для виявлення давніх чорних дір, занадто слабких, щоб їх можна було спостерігати за допомогою попередніх телескопів.
Астрономи ідентифікували чорну діру CEERS 1019, шукаючи незвично яскраві галактичні ядра. Попередні вимірювання припускають, що енергійні галактичні ядра, AGN, ймовірно, відповідають “технічним” характеристикам чорних дір. Вони випромінюють значну енергію, матерія падає в глибину зоряних мікроскупчень або накопичується навколо них. Тим самим розширюючи гравітаційний вплив ядра галактики.
Враховуючи передбачувану рідкість перших чорних дір, Оноуе, який не брав участі в нещодавньому дослідженні, зазначає:
"Для мене було справжнім сюрпризом, що спостереження JWST тільки за один рік виявили кілька активних чорних дір... і всі вони утворились протягом першого мільярда років існування Всесвіту".
Чорна діра в CEERS 1019 може бути не тільки найстарішою з виявлених досі, але й найменшою з виявлених у ранньому всесвіті. Більшість ЧД, знайдених за цей період, перевищують масу Сонця в мільярд разів. На відміну від них, CEERS 1019 більше нагадує ту, що знаходиться в центрі Чумацького Шляху, тобто в кілька мільйонів разів перевищує масу Сонця.
Кочевскі, член команди CEERS і астрофізик з Коледжу Колбі в штаті Мен, висловлює здивування:
"Вважалося, що чорні діри меншої маси повинні існувати в ранніх галактиках, але я не думав, що ми зможемо їх знайти. Найдивовижніше для мене те, що Джеймс Вебб виявився більш чутливим, ніж ми могли очікувати".
Дослідження CEERS також вирахувало дві інші чорні діри в галактиках CEERS 746 і CEERS 2782, які існували через 1 мільярд або 1,1 мільярда років після Великого вибуху відповідно. Ці чорні діри також відносно легкі, їхня маса приблизно в 10 мільйонів разів більша за масу Сонця.
CEERS 1019 кидає виклик астрономам
Виявлення чорної діри в CEERS 1019 було непростим завданням, оскільки команда зіткнулася з надзвичайно швидким рухом газу, який, на їхню думку, може походити тільки з околиць надмасивні] чорної діри.
"Сигнатура газу, який ми спостерігаємо, не є надзвичайно вираженою. Ми провели широке моделювання, щоб кількісно оцінити наші невизначеності, і ми були на 95% упевнені, що виявимо цю особливість", - пояснює Кочевскі.
"Майбутні спостереження легко підвищать значущість цього сигналу".
Серед деяких вчених існує підозра, що надмасивні чорні діри в ранньому Всесвіті утворилися внаслідок злиття менших астрономічних об'єктів, і нещодавно відкриті чорні діри узгоджуються з цим припущенням. Однак пояснення розміру чорної діри в CEERS 1019 залишається складним завданням.
За словами експертів, одна з версій полягає в тому, що галерея надмасивних чорних дір виникла внаслідок колапсу величезних газових хмар, маса яких від 10 000 до мільйона разів перевищувала масу Сонця, і які існували до появи галактик.
Альтернативна можливість полягає в зореутворюючих процесах юного Всесвіту, коли маса першої генерації зірок зростала надзвичайно швидкими темпами.
"Будь-який з цих сценаріїв відкриває для нас щось нове, - каже Кочевскі. - Якщо перша гіпотеза вірна, тоді ми приблизно розуміємо, що передувало галактикам. Якщо буде підтримана друга теорія, це означає, що ми ще багато чого не розуміємо про зростання чорних дір".
Так, дві моделі дають різні прогнози щодо кількості ранніх ЧД. Золтан Хайман, астрофізик з Колумбійського університету стверджує, що подальші дослідження можуть допомогти розгадати цю загадку.
"Захопливий аспект полягає в тому, що, безсумнівно, існує більше таких об'єктів, які чекають на відкриття, і, розширюючи розмір вибірки, а також досліджуючи більш ранні епохи, ми зможемо уточнити наше розуміння справжньої теорії", - каже Фінкельштейн.
Зоряні системи ростуть повільніше, ніж чорні діри
Що стосується гіпотези активних галактичних ядер, - а мова йде про галактику UHZ1, - то вік народження об'єкта може становити 450 мільйонами років після Великого вибуху. Про це повідомив Кевін Хайнлайн, астронома з Університету Аризони.
"Такі рекорди не протримаються довго, і це добре, - каже науковець, - ми лише дряпаємо поверхню величезної кількості активно висхідних надмасивних чорних дір у ранньому Всесвіті".
Дивно, але перші надмасивні чорні діри, виявлені в попередніх дослідженнях, затьмарювали свої галактики.
На противагу цьому, нещодавно відкриті легші ЧД були знайдені в галактиках, які вже класифікували. Хайман пояснює, що нові відкриття вказують на те, що менші чорні діри тьмяніші, ніж їхні галактики-господарі. Але коли вони еволюціонують практично у сингулярність, то стають набагато яскравішими, ніж материнські галактики.
Це означає, що зоряні системи ростуть повільніше, ніж чорні діри, - а це вже нове розуміння еволюції всіх астрономічних об'єктів, які існують у Всесвіті.
А як вони її фоткають?