Всесвіт дав збій: телескоп Вебба знайшов “неможливу” чорну діру

Саме тому нові спостереження космічного телескопа NASA Джеймса Вебба стали серйозним викликом усталеним уявленням. Дослідники виявили надмасивну чорну діру, яка існувала вже через приблизно 700 млн років після Великого вибуху і при цьому майже не має зоряного «оточення».

Цей об’єкт знаходиться в галактиці Abell 2744-QSO1. Попри свій ранній вік, чорна діра в її центрі вже досягла маси близько 50 млн мас Сонця. Головна загадка полягає в тому, що навколо неї практично немає зірок, які могли б пояснити настільки стрімке зростання.

«Це суперечить класичній картині, де зірки з’являються першими або формуються паралельно з чорними дірами», – зазначає Боюань Лю, один з авторів дослідження та аспірант Кембриджського університету.

Об’єкт, що ламає стандартну модель

Згідно з традиційною астрофізикою, чорні діри є результатом еволюції масивних зірок. Спочатку формуються зоряні скупчення, потім найважчі зірки вибухають надновими або колапсують, утворюючи чорні діри. Згодом ці об’єкти ростуть, поглинаючи газ і зливаючись між собою, але на все це потрібні сотні мільйонів або навіть мільярди років.

У випадку Abell 2744-QSO1 ця схема не працює. Галактика містить надто малу зоряну масу, щоб «виростити» чорну діру такого масштабу. Складається враження, що чорна діра сформувалася і набрала величезну масу майже самостійно, ще до повноцінного формування галактики.

Повернення до старої, але сміливої ідеї

Щоб пояснити цей парадокс, дослідники звернулися до концепції первинних чорних дір – гіпотези, висунутої ще в 1970-х роках Стівеном Гокінгом і Бернардом Карром. Згідно з нею, деякі чорні діри могли виникнути не зі зірок, а безпосередньо з надщільних флуктуацій матерії в перші миті після Великого вибуху.

Більшість таких первинних чорних дір, якщо вони існували, мали б бути дуже малими і нестабільними. Проте команда Лю дослідила сценарій, за якого невелика кількість масивних первинних об’єктів могла вижити і швидко зрости за сприятливих умов.

Для цього були створені складні чисельні симуляції, які одночасно враховували рух газу, формування зірок поблизу та зворотний вплив зоряних вибухів на зростання чорної діри. Модель починалася з масивного первинного ядра і відстежувала його еволюцію протягом сотень мільйонів років.

Результати виявилися вражаючими. Симуляції відтворили не лише масу чорної діри, близьку до 50 млн сонячних, а й характерне середовище з дуже малою кількістю зірок і важких елементів – саме те, що спостерігає JWST у QSO1. «За наявності таких спостережень, які стандартні теорії не можуть пояснити, сценарій із масивними первинними чорними дірами виглядає дедалі переконливішим», – підкреслює Лю.

Більше запитань, ніж відповідей

Попри це, дослідники наголошують: мова не йде про остаточний доказ. Первинне походження чорної діри в Abell 2744-QSO1 залишається гіпотезою, але такою, що добре узгоджується з наявними даними. Залишаються і серйозні проблеми. Більшість моделей первинних чорних дір рідко дають об’єкти масою понад 1 млн сонячних, що значно менше за спостережувані 50 млн. Це означає, що або такі чорні діри росли набагато швидше, ніж вважається, або в ранньому Всесвіті діяли додаткові механізми, наприклад, утворення щільних скупчень первинних чорних дір із подальшими злиттями.

Є й інша складність: формування первинних чорних дір може супроводжуватися потужним високоенергетичним випромінюванням, ознак якого поблизу QSO1 поки не знайдено.

Утім, якщо майбутні спостереження JWST відкриють більше подібних об’єктів, це може означати справжній перегляд нашого уявлення про те, як з’явилися перші надмасивні чорні діри. Можливо, деякі з них народилися не наприкінці зоряної еволюції, а на самому світанку Всесвіту.