Черная дыра, которая не образуется в результате коллапса звезды. 

Черная дыра в Малой Красной Точке (LRD) Abell 2744-QSO1, наблюдавшаяся телескопом JWST в ранней Вселенной (примерно через 700 млн лет после Большого взрыва), представляет собой сверхмассивную черную дыру, которая выросла до своих нынешних размеров без гораздо большей галактики, которая могла бы ее питать. Согласно стандартной модели звездной эволюции, черные дыры образуются в результате гибели более крупных звезд в конце их жизненного цикла, когда у них заканчивается топливо в результате коллапса звездного ядра. Эти черные дыры растут в размерах, питаясь материей из гораздо большей галактики. Черная дыра в Малой Красной Точке QSO1 не вписывается в эту модель и является новым явлением. Она образовалась непосредственно вне рамок стандартной звездной эволюции, то есть это не остаток. Черная дыра образуется в результате коллапса ядра большой умирающей звезды. Вместо этого, это либо черная дыра прямого коллапса (DCBH), либо первичная черная дыра (PBH). Ранее существовали теории о черных дырах, не образовавшихся в результате звездного коллапса. Это свидетельство существования черной дыры, образовавшейся в результате процесса, выходящего за рамки стандартных моделей. звездная эволюция.  

Как образуется чёрная дыра? Согласно стандартной модели звёздной эволюции, чёрные дыры являются конечными продуктами эволюции массивных звёзд. Звёзды претерпевают изменения с течением времени. 

Жизнь звезды начинается в больших межзвездных облаках газа и пыли в галактике с образования скоплений газа из-за низкой температуры и образования высокоплотных карманов. Сгустки постепенно накапливают все больше и больше вещества и растут. В какой-то момент сгустки коллапсируют из-за усиления гравитационной силы, направленной внутрь. Трение во время коллапса нагревает вещество, и рождается молодая звезда. Это стадия протозвезды в жизненном цикле звезды. Гравитационный коллапс продолжается, приводя к постепенному повышению температуры и давления в ядре протозвезды. Со временем температура и давление становятся достаточно высокими, чтобы позволить ядрам водорода сливаться. Ядерный синтез высвобождает огромное количество энергии, которая нагревает вещество настолько, чтобы предотвратить дальнейший коллапс под действием гравитации. Это «стадия главной последовательности» звезды. Водород является основным топливом. 

Когда топливо заканчивается, термоядерный синтез прекращается, и больше нет энергии для нагрева материалов, необходимой для уравновешивания внутренней силы гравитации, а ядро ​​коллапсирует, оставляя после себя компактный остаток. Это конец звезды. Мертвая звезда или компактный остаток — это либо белый карлик, либо нейтронная звезда, либо черная дыра Это зависит от массы исходной звезды. Звезды тяжелее 20 солнечных масс (>20 M⦿) становятся черными дырами в конце звездной эволюции, когда заканчивается топливо. Это стандартный процесс — сначала образуются звезды и галактики, а черные дыры — позже, на заключительном этапе звездной эволюции. Масса таких черных дыр намного меньше общей массы галактики. 

Внезвездное образование черных дыр

Могут ли черные дыры образовываться иными способами, помимо коллапса звездного ядра? Были выдвинуты две теории о существовании «незвездных» каналов образования. 

В ранней Вселенной большое первичное газовое облако может коллапсировать непосредственно в черную дыру, минуя обычное звездообразование и эволюцию, что приводит к образованию так называемых черных дыр прямого коллапса (ЧДП). Другие гипотетические черные дыры, образовавшиеся непосредственно без участия стандартной звездной эволюции, — это первичные черные дыры (ПЧД). ПЧД — это реликты Большого взрыва, образовавшиеся в экстремальных флуктуациях плотности самой ранней Вселенной вскоре после Большого взрыва. 

Черные дыры, образовавшиеся в результате «незвездных» процессов, до сих пор считались лишь теоретическими, гипотетическими. Однако ситуация быстро изменилась с запуском телескопа JWST в декабре 2021 года — инфракрасной космической обсерватории, предназначенной для изучения ранней Вселенной.

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) совершает революцию в изучении ранней Вселенной. 

Телескоп JWST провел ряд наблюдений, которые бросают вызов нашему пониманию ранней Вселенной. Наблюдение галактики JADES-GS-z14-0 на красном смещении 14.32 делает ее самой далекой из известных галактик. Эта галактика образовалась в ранней Вселенной примерно через 290 миллионов лет после Большого взрыва, и тем не менее, это большая, массивная и очень яркая галактика. Также было обнаружено, что она богата металлами, что означает, что поколения массивных звезд уже завершили свой жизненный цикл от рождения до взрыва сверхновой примерно через 290 миллионов лет в ранней Вселенной. Аналогично, галактика GS-NDG-9422 в ранней Вселенной, датируемая примерно миллиардом лет после Большого взрыва, оказалась химически сложной и не содержала звезд третьего поколения. Согласно современным представлениям, первое поколение звезд ранней Вселенной должно было быть звездами третьего поколения с нулевой металличностью. (В астрономии любой элемент тяжелее гелия считается металлом. Химические неметаллы, такие как кислород, азот и т. д., в космологическом контексте являются металлами. Звезды обогащаются металлами в каждом поколении после сверхновой). 

Телескоп JWST также наблюдал сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной. Одна из таких черных дыр появилась примерно через 700 миллионов лет после Большого взрыва и имела массу, в несколько миллионов раз превышающую массу Солнца. Все началось с наблюдений JWST за «маленькими красными точками» (LRD), которые были обнаружены в первом выпуске данных JWST в 2022 году. Эти красные компактные объекты имели V-образный спектр и демонстрировали излучение от высокоскоростного водородного газа. 

Маленькая красная точка QSO1 (или Abell2744-QSO1) 

QSO1 (или Abell2744-QSO1) — это типичная «маленькая красная точка» диаметром около 1,300 световых лет, расположенная на расстоянии более 13 миллиардов световых лет. Она существовала в ранней Вселенной всего через 700 миллионов лет после Большого взрыва. QSO1 гравитационно линзирована скоплением галактик Abell 2744 (скопление Пандоры), поэтому её изображение увеличено и отображается в трёх разных точках на небе. В результате QSO1 легче изучать, чем большинство других «маленьких красных точек». 

Детальное изучение этой «маленькой красной точки» (МКР) позволило исследователям сделать вывод, что некоторые сверхмассивные черные дыры были огромными с самого начала. Они образовались без фазы звездного коллапса и без значительно более массивной галактики-хозяина, которая могла бы их питать. 

Аббревиатура QSO означает квазизвездный объект (обычно называемый квазаром). 

Первоначальные исследования показали, что QSO1 — это не просто облако светящегося водорода и гелия, вращающееся вокруг сверхмассивной чёрной дыры, масса которой примерно в 40 миллионов раз превышает массу Солнца. Однако оставалась неопределённость относительно того, действительно ли она настолько массивна. Это было связано с тем, что до сих пор все измерения массы чёрных дыр в ранней Вселенной были косвенными, основанными на предположениях, сделанных на основе наших знаний о них в локальной Вселенной. Мы не знали, применимы ли эти предположения к ранней Вселенной. 

Исследователи поняли, что если чёрная дыра в QSO1 действительно настолько массивна, то с помощью интегрального полевого прибора (IFU) телескопа JWST они смогут отследить влияние её гравитации на газ, вращающийся вокруг неё, а также составить карту распределения различных элементов в газе. Поэтому они использовали данные наблюдений IFU и построили карту движения водородного газа, окружающего чёрную дыру. 

График зависимости скорости вращения от расстояния от центра показал, что газ двигался по Кеплеру, то есть большая часть массы квазара 1 «Маленькая красная точка» сосредоточена в черной дыре в центре. Если бы масса была распределена равномерно, газ не вращался бы вокруг центральной точки идеально по Кеплеру, подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца в Солнечной системе. 

Поскольку кеплеровское движение подчиняется законам гравитации, измерения скорости газа позволили исследователям напрямую рассчитать массу черной дыры. Это было первое прямое измерение массы черной дыры ранней Вселенной. Было установлено, что черная дыра в QSO1 составляет около 50 миллионов солнечных масс. Кроме того, эта черная дыра составляет две трети от общей массы QSO1. Это крайне необычно, поскольку сверхмассивные черные дыры в близлежащих галактиках обычно составляют лишь небольшую часть общей массы родительской галактики.

Кроме того, анализ карт состава, полученных с помощью интегрального спектрального поля (IFU), показал, что газ в QSO1 почти полностью состоит из водорода и гелия. Галактика, богатая звездами и звездным мусором, должна содержать более тяжелые элементы, такие как кислород, но QSO1 имеет чрезвычайно низкую металличность, менее 0.5% от солнечной, что указывает на очень нетронутую галактическую среду в QSO1.

Огромная масса QSO1 по отношению к массе его родительской галактики предполагает, что он не образовался в результате постепенного слияния и поглощения более мелких черных дыр звездной массы. По-видимому, черная дыра QSO1 в Малой Красной Точке существовала до начала процесса звездной эволюции. Она могла образоваться из тяжелого зародыша, сформировавшегося в первую секунду Большого взрыва (первичная черная дыра), или несколько позже в результате коллапса гигантского газового облака (черная дыра прямого коллапса), и, возможно, находится на ранних стадиях формирования галактики вокруг себя. В настоящее время невозможно сказать, является ли сверхмассивная черная дыра QSO1 в Малой Красной Точке первичной черной дырой (PBH) или черной дырой прямого коллапса (DCBH); однако существуют свидетельства внезвездного образования черных дыр в ранней Вселенной.

Ссылки: 

1. Майолино Р., и др. 2026. Черная дыра в почти нетронутой галактике спустя 700 миллионов лет после Большого взрыва. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, том 548, выпуск 1, май 2026 г., staf2109. Опубликовано 06 апреля 2026 г. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/staf2109
2. Юоджбалис, И., Маркончини, К., Д'Эудженио, Ф. и др. Прямое измерение массы черной дыры в маленькой красной точке на высоком красном смещении. Nature 653, 1017–1021 (2026). Опубликовано 27 мая 2026 г. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10579-4
3. Телескоп Webb НАСА показал черную дыру, образовавшуюся еще до своей галактики. Опубликовано 27 мая 2026 г. Доступно по адресу: https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/

Статьи по теме 

Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST): первая космическая обсерватория, посвященная изучению ранней Вселенной (6 ноября 2021) 

Изучение ранней Вселенной: эксперимент REACH по обнаружению неуловимой 21-сантиметровой линии космического водорода(3 Август 2022) 

Коричневые карлики (BD): телескоп Джеймса Уэбба идентифицирует наименьший объект, сформированный звездоподобным образом (5, январь 2024) 

Самая старая черная дыра ранней Вселенной бросает вызов модели формирования черной дыры (24, январь 2024) 

Ранняя Вселенная: самая далекая галактика «JADES-GS-z14-0» бросает вызов моделям формирования галактик (12 Август 2024) 

Парадокс богатых металлами звезд в ранней Вселенной (27, сентябрь 2024)