Чорная дзірка, якая не ўтварылася ў выніку калапсу зоркі 

Чорная дзірка ў галактыцы Little Red Dot (LRD) Abell 2744-QSO1, якую назіраў JWST у раннім Сусвеце (каля 700 мільёнаў гадоў пасля Вялікага выбуху), — гэта звышмасіўная чорная дзірка, якая вырасла да сваіх цяперашніх памераў без значна большай галактыкі, якая б яе сілкавала. Згодна са стандартнай мадэллю эвалюцыі зорак, чорныя дзіркі ўтвараюцца ў выніку гібелі большых зорак у канцы іх жыццёвага цыклу, калі ў іх заканчваецца паліва ў выніку калапсу ядра зоркі. Гэтыя чорныя дзіркі павялічваюцца ў памерах, сілкуючыся матэрыяй з значна большай галактыкі. Чорная дзірка Little Red Dot QSO1 не адпавядае гэтай мадэлі і з'яўляецца новай. Яна ўтвараецца непасрэдна без стандартнай эвалюцыі зорак, г.зн. не з'яўляецца рэшткай калапсу ядра вялікай паміраючай зоркі. Замест гэтага яна з'яўляецца альбо чорнай дзіркай прамога калапсу (DCBH), альбо першаснай чорнай дзіркай (PBH). Раней тэарэтычна меркавалася, што чорныя дзіркі не ўтварыліся ў выніку калапсу зоркі. Гэта сведчыць аб тым, што чорная дзірка ўтвараецца ў працэсе, які выходзіць за рамкі стандартнай эвалюцыі зорак.

Як утвараецца чорная дзірка? Згодна са стандартнай мадэллю эвалюцыі зорак, чорныя дзіркі з'яўляюцца канчатковымі прадуктамі эвалюцыі масіўных зорак. Зоркі змяняюцца з цягам часу. 

Жыццё зоркі пачынаецца ў вялікіх міжзоркавых аблоках газу і пылу ў галактыцы са зліцця газаў з-за нізкай тэмпературы ў кішэні высокай шчыльнасці. Згусткі паступова збіраюць усё больш і больш матэрыі і растуць. У нейкі момант згусткі руйнуюцца з-за павелічэння гравітацыйнай сілы ўнутр. Трэнне падчас калапсу награвае матэрыю, і нараджаецца зорка-дзіця. Гэта стадыя протазоркі ў жыццёвым цыкле зоркі. Гравітацыйны калапс працягваецца далей, што прыводзіць да паступовага павышэння тэмпературы і ціску ў ядры протазоркі. З часам тэмпература і ціск становяцца дастаткова высокімі, каб дазволіць ядрам вадароду зліцца. Ядзерны сінтэз вызваляе велізарную колькасць энергіі, якая награвае матэрыю дастаткова, каб прадухіліць далейшы калапс пад дзеяннем гравітацыі. Гэта «стадыя галоўнай паслядоўнасці» зоркі. Вадарод з'яўляецца асноўным палівам. 

Калі паліва заканчваецца, ядзерны сінтэз спыняецца, і не застаецца энергіі для нагрэву матэрыялаў, каб ураўнаважыць унутраную сілу гравітацыі, і ядро ​​калапсуецца, пакідаючы пасля сябе кампактны астатак. Гэта канец зоркі. Мёртвая зорка або кампактны астатак — гэта альбо белы карлік, альбо нейтронная зорка, альбо чорная дзірка ў залежнасці ад масы першапачатковай зоркі. Зоркі цяжэйшыя за 20 сонечных мас (>20 M⦿) становяцца чорнымі дзіркамі ў канцы зорнай эвалюцыі, калі паліва заканчваецца. Гэта стандартны шлях — спачатку ўтвараюцца зоркі і галактыкі, а пазней, на канчатковым этапе зорнай эвалюцыі, утвараюцца чорныя дзіркі. Маса такіх чорных дзірак значна меншая за агульную масу галактыкі.

Незорнае ўтварэнне чорных дзірак

Ці могуць чорныя дзіркі ўтварацца не праз калапс зорнага ядра? Былі вылучаны два «незорныя» каналы іх утварэння. 

У раннім Сусвеце вялікая першасная газавая хмара можа непасрэдна калапсаваць у чорную дзірку, абмінаючы нармальнае ўтварэнне і эвалюцыю зорак, што прывядзе да ўзнікнення таго, што мы называем чорнымі дзірамі прамога калапсу (ЧДПД). Іншыя гіпатэтычныя чорныя дзіркі, якія ўтварыліся непасрэдна без удзелу стандартнай зорнай эвалюцыі, — гэта першасныя чорныя дзіркі (ПЧД). ПЧД — гэта рэлікты Вялікага выбуху, якія ўтварыліся падчас экстрэмальных ваганняў шчыльнасці вельмі ранняга Сусвету неўзабаве пасля Вялікага выбуху. 

Чорныя дзіркі, якія ўтвараюцца праз «незорныя» каналы, толькі тэарэтычна абмяркоўваюцца, таму яны гіпатэтычныя. Але ўсё пачало хутка мяняцца з запускам JWST у снежні 2021 года, інфрачырвонай касмічнай абсерваторыі, прысвечанай вывучэнню ранняга Сусвету.

Касмічны тэлескоп Джэймса Уэба (JWST) рэвалюцыянізуе вывучэнне ранняга Сусвету 

JWST зрабіў некалькі назіранняў, якія аспрэчваюць наша разуменне ранняга Сусвету. Назіранне галактыкі JADES-GS-z14-0 з чырвоным зрушэннем 14.32 робіць яе самай далёкай з вядомых галактык. Гэтая галактыка ўтварылася ў раннім Сусвеце прыкладна праз 290 мільёнаў гадоў пасля Вялікага выбуху, але гэта вялікая, масіўная і вельмі свяцільная галактыка. Таксама было выяўлена, што яна багатая металамі, гэта значыць, што пакаленні масіўных зорак ужо завяршылі свой жыццёвы шлях ад нараджэння да выбуху звышновай прыкладна праз 290 мільёнаў гадоў у раннім Сусвеце. Падобным чынам, галактыка ранняга Сусвету GS-NDG-9422, якая датуецца прыкладна мільярдам гадоў пасля Вялікага выбуху, аказалася хімічна складанай і не мела зорак III папуляцыі. Згодна з сучасным разуменнем, першае пакаленне зорак ранняга Сусвету павінна быць зоркамі III папуляцыі з нулявой металічнасцю. (У астраноміі любы элемент, цяжэйшы за гелій, лічыцца металам. Хімічныя неметалы, такія як кісларод, азот і г.д., з'яўляюцца металамі ў касмалагічным кантэксце. Зоркі ўзбагачаюцца металам у кожным пакаленні пасля падзеі звышновай). 

JWST таксама назіраў звышмасіўныя чорныя дзіркі ў раннім Сусвеце. Адна з такіх чорных дзірак узнікла прыкладна праз 700 мільёнаў гадоў пасля Вялікага выбуху і мела масу прыкладна ў некалькі мільёнаў разоў большую за масу Сонца. Усё пачалося з назірання JWST за маленькімі чырвонымі кропкамі (LRD), якія былі заўважаныя ў першай публікацыі дадзеных JWST у 2022 годзе. Гэтыя кампактныя аб'екты чырвонага колеру мелі V-вобразныя спектры і паказвалі выпраменьванне з высокахуткаснага газападобнага вадароду. 

Маленькая чырвоная кропка QSO1 (ці Abell2744-QSO1) 

QSO1 (ці Abell2744-QSO1) — гэта прататып маленькай чырвонай кропкі памерам каля 1,300 светлавых гадоў, якая знаходзіцца на адлегласці больш за 13 мільярдаў светлавых гадоў. Яна існавала ў раннім Сусвеце ўсяго праз 700 мільёнаў гадоў пасля Вялікага выбуху. Яна гравітацыйна лінзуецца галактычным скопішчам Abell 2744 (скопішча Пандоры), таму яна павялічана і патройна выяўлена, з'яўляючыся ў трох розных месцах на небе. У выніку QSO1 лягчэй вывучаць, чым большасць іншых маленькіх чырвоных кропак. 

Падрабязнае вывучэнне гэтай Маленькай Чырвонай Кропкі (LRD) прывяло даследчыкаў да высновы, што некаторыя звышмасіўныя чорныя дзіркі былі велізарнымі з самага пачатку. Яны ўтварыліся без фазы зорнага калапсу і без значна больш масіўнай галактыкі, якая б іх карміла. 

QSO расшыфроўваецца як квазізорны аб'ект (звычайна яго называюць квазарам). 

Пачатковыя даследаванні паказалі, што QSO1 — гэта не проста воблака святлівага вадароду і гелію, якое круціцца вакол звышмасіўнай чорнай дзіркі, маса якой прыкладна ў 40 мільёнаў разоў перавышае масу Сонца. Аднак існавала нявызначанасць адносна таго, ці сапраўды яна такая масіўная. Гэта было звязана з тым, што да гэтага часу ўсе вымярэнні масы чорных дзірак у раннім Сусвеце былі ўскоснымі, заснаванымі на здагадках, звязаных з тым, што мы ведаем пра іх у лакальным Сусвеце. Мы не ведалі, ці сапраўды гэтыя здагадкі дастасоўныя да ранняга Сусвету. 

Даследчыкі прызналі, што калі чорная дзірка QSO1 сапраўды такая масіўная, яны павінны мець магчымасць выкарыстоўваць інтэгральны палявы блок (IFU) на JWST, каб адсачыць уплыў яе гравітацыі на газ, які круціцца вакол яе, а таксама адлюстраваць размеркаванне розных элементаў у газе. Такім чынам, яны выкарысталі назіранні IFU і адлюстравалі рухі вадароду вакол чорнай дзіркі. 

Графік хуткасці кручэння ў залежнасці ад адлегласці ад цэнтра паказаў, што газ мае кеплераўскі рух, гэта значыць, большая частка масы Маленькай чырвонай кропкі QSO1 сканцэнтравана ў чорнай дзірцы ў цэнтры. Калі б маса была размеркавана, газ не круціўся б вакол цэнтральнай кропкі ідэальным кеплераўскім чынам гэтак жа, як планеты круцяцца вакол Сонца ў Сонечнай сістэме. 

Улічваючы, што рух Кеплера рэгулюецца законамі гравітацыі, вымярэнні хуткасці газу дазволілі даследчыкам непасрэдна вылічыць масу чорнай дзіркі. Гэта было першае прамое вымярэнне масы чорнай дзіркі ранняга Сусвета. Было ўстаноўлена, што чорная дзірка QSO1 мае каля 50 мільёнаў сонечных мас. Акрамя таго, гэтая чорная дзірка складае дзве траціны ад агульнай масы QSO1. Гэта вельмі рэдка, таму што звышмасіўныя чорныя дзіркі ў бліжэйшых галактыках звычайна складаюць толькі невялікую частку ад агульнай масы галактыкі, у якой знаходзіцца галактыка.

Акрамя таго, аналіз карт складу IFU паказаў, што газ па ўсім QSO1 амаль цалкам складаецца з вадароду і гелія. Галактыка, багатая зоркамі і зорным абломкам, павінна ўтрымліваць больш цяжкія элементы, такія як кісларод, але QSO1 мае надзвычай нізкую металічнасць, менш за 0.5% ад Сонца, што сведчыць аб тым, што QSO1 мае вельмі чыстае галактычнае асяроддзе.

Велізарная маса QSO1 у параўнанні з галактыкай, у якой яна знаходзіцца, сведчыць аб тым, што яна не магла ўтварыцца ў выніку паступовага зліцця і харчавання меншых чорных дзірак зорнай масы. Відавочна, што чорная дзірка Маленькай чырвонай кропкі QSO1 папярэднічала працэсу зорнай эвалюцыі. Яна магла развіцца з цяжкага зерня, якое ўтварылася ў першую секунду Вялікага выбуху (першасная чорная дзірка) або некалькі пазней у выніку калапсу гіганцкага воблака газу (чорная дзірка прамога калапсу) і, магчыма, знаходзіцца на ранніх стадыях фарміравання галактыкі вакол яе. На дадзены момант немагчыма сказаць, ці з'яўляецца звышмасіўная чорная дзірка Маленькай чырвонай кропкі QSO1 першаснай чорнай дзіркай (PBH) або чорнай дзіркай прамога калапсу (DCBH); аднак ёсць доказы незорнага ўтварэння чорных дзірак у раннім Сусвеце.

***

Спасылкі: 

1. Майоліна Р., і інш 2026. Чорная дзірка ў амаль некранутай галактыцы 700 мільёнаў гадоў пасля Вялікага выбуху. Штомесячныя паведамленні Каралеўскага астранамічнага таварыства, том 548, выпуск 1, май 2026 г., staf2109. Апублікавана 06 красавіка 2026 г. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/staf2109
2. Юоджбаліс, І., Марканчыні, К., Д'Эўгеніа, Ф. і інш. Прамое вымярэнне масы чорнай дзіркі ў маленькай чырвонай кропцы пры высокім чырвоным зрушэнні. Nature 653, 1017–1021 (2026). Апублікавана 27 мая 2026 г. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10579-4
3. Тэлескапія NASA Webb выявіла чорную дзірку, якая ўтварылася раней за яе галактыку. Апублікавана 27 мая 2026 г. Даступна па спасылцы https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/

***

Артыкулы па тэме 

Касмічны тэлескоп імя Джэймса Уэба (JWST): першая касмічная абсерваторыя, прысвечаная вывучэнню ранняга Сусвету (6 лістапада 2021 г.)

Вывучэнне ранняга Сусвету: эксперымент REACH для выяўлення няўлоўнай 21-сантыметровай лініі касмічнага вадароду (3 жніўня 2022 г.)

Карычневыя карлікі (КК): тэлескоп Джэймса Уэба выявіў найменшы аб'ект, які сфармаваўся па тыпу зоркі (5 студзеня 2024 г.)

Найстарэйшая чорная дзірка з ранняга Сусвету аспрэчвае мадэль утварэння чорных дзірак (24 студзеня 2024 г.)

Ранні Сусвет: самая далёкая галактыка «JADES-GS-z14-0» аспрэчвае мадэлі фарміравання галактык (12 жніўня 2024 г.)

Парадокс зорак, багатых металамі, у раннім Сусвеце (27 верасня 2024 г.)

***