Помню, как на лекциях по космологии нам чётко объясняли: сначала образуются галактики, а уже в их центрах вырастают сверхмассивные черные дыры. Это была красивая, логичная картина.

Реальность оказалась куда страннее, и космический телескоп Джеймса Уэбба продолжает швырять нам сюрпризы прямо в лицо. Очередной из них ставит под сомнение всё, что мы думали о формировании галактик и черных дыр: объект QSO1, существующий вопреки каноническим моделям.

Учёные заметили в далёком прошлом космоса чёрную дыру, непохожую ни на одну известную ранее. Она колоссальна и почти полностью одинока: вокруг неё кружится лишь горстка звёзд. Этот объект, возможно, открывает целый новый класс гигантских «обнажённых» чёрных дыр и переворачивает привычное учебниковое представление о молодой Вселенной.

«Она совершенно выходит за рамки привычного масштаба, — говорит Роберто Майолино, астрофизик из Кембриджского университета, один из авторов работы, представленной в препринте от 29 августа. — Это невероятно захватывающе. И чрезвычайно показательно».

«Такие открытия расширяют границы возможного, проверяют наши самые смелые предположения», — добавил Дейл Кочевский, астроном из Колледжа Колби.

Астрономы выследили эту чёрную дыру с помощью телескопа Джеймса Уэбба (ТДУ) — гигантского инструмента, созданного NASA и её партнёрами в том числе для того, чтобы раскрыть тайну появления первых галактик. Новый объект, получивший имя QSO1, весит как 50 миллионов Солнц и полностью противоречит старым схемам формирования галактик, согласно которым чёрные дыры появлялись после образования звёзд. Те звёзды должны были в конце жизни схлопнуться, превратиться в чёрные дыры, затем сливаться и расти. Но Майолино и его коллеги описали одинокого исполина без всякой родительской галактики поблизости.

Теперь главный вопрос: как же эта чёрная дыра возникла?

Делегируйте рутинные задачи вместе с BotHub! По ссылке вы можете получить 100 000 бесплатных капсов и приступить к работе с нейросетями прямо сейчас.

Самая захватывающая — и вместе с тем спорная — версия восходит к идее британского физика Стивена Хокинга, предложенной ещё в 1971 году. Он предположил, что чёрные дыры могли возникнуть прямо в первородном супе Большого взрыва. В этом случае объект с самого рождения Вселенной сидел бы в темноте, терпеливо ожидая, пока зажгутся первые звёзды и вспыхнут галактики.

QSO1 — лишь одна из сотен похожих структур, получивших прозвище «малые красные точки», которые ТДУ заметил за первые годы наблюдений глубочайших слоёв времени. Учёные пока не могут сказать, все ли эти точки чёрные дыры, и в целом признают: детство Вселенной остаётся хаотичным и плохо понятным. Но снимки телескопа намекают на шумный, буйный космос, где гигантские чёрные дыры и галактики рождались то вместе, то порознь, а может быть, и вовсе в такой Вселенной, где чёрные дыры стали одними из первых крупных структур — тёмные шарики тапиоки в равномерной чашке космического чая.

«QSO1 и прочие „малые красные точки“ ясно дают понять: мы пока не знаем ничего, — признаётся Джон Реган, теоретик из Национального университета Ирландии в Мейнуте. — И это, честно говоря, потрясающе захватывает и буквально электризует всю область исследований».

Бледно‑красные точки

Лукас Фуртак, астроном из Университета имени Бен‑Гуриона в Израиле, понял, что QSO1 — объект исключительный, едва взглянув на него. Точнее, на его три отражения, спрятанные среди пятнистых белых галактик на снимке, сделанном ТДУ в 2023 году. «Это то, что сразу бросается в глаза, — сказал Фуртак в Zoom, щёлкая по едва заметным красным точкам. Вот три источника: здесь, вот здесь, и ещё этот наверху».

На изображении удачное расположение галактик и тёмной материи изогнуло лучи света от более далёких объектов — словно через стеклянную линзу. Этот гравитационный объектив позволяет рассмотреть структуры ранней Вселенной, которые в обычных условиях телескоп бы не увидел. Объектив усиливает и растягивает свет от находящихся за ним объектов, иногда создавая их множественные копии. Фуртак как раз изучал бананообразные следы галактик, размазанных в разные стороны линзой, когда заметил три красные точки QSO1.

Его поразило, что точки оставались неизменными: никакого растяжения. Он сразу понял, что единственное, что выглядит как маленькая круглая точка даже после таких искажений, — это ещё меньшая и ещё более круглая точка. Это не галактика, решил он. Значит, это чёрная дыра — область, где масса настолько сконцентрирована, что её гравитация создаёт непроходимую границу пространства.

В течение следующих шести месяцев Фуртак вместе с коллегами направлял ТДУ на каждую из трёх красных точек, заставив телескоп вглядываться в них по 40 часов подряд, чтобы собрать спектр — цветовую подпись света, исходящего от объекта. Итоги исследования подтвердили: QSO1 почти наверняка является светящейся чёрной дырой, сжимающей массу в десятки миллионов солнц в объём не более ста световых лет. Причём видим мы её такой, какой она была, когда Вселенной было всего 750 миллионов лет (для сравнения: сегодня космосу почти 14 миллиардов).

QSO1 стала одной из первых «малых красных точек». Сейчас их известно более трёхсот, и вот уже два года вокруг их природы идёт оживлённый спор. У них есть некоторые классические признаки светящихся чёрных дыр, но кое‑чего не хватает. А оценки их масс до сих пор были скорее косвенными. Поэтому часть астрофизиков настаивает: эти объекты — всего лишь странноватые галактики без всяких чёрных дыр. Так, одна группа в августе опубликовала анализ более ста «малых красных точек», утверждая именно это.

«Всё сообщество одержимо этими точками, — признаётся Кочевский. — Очень редко встречаются вещи, которым совсем не находишь объяснения».

Приближение

В декабре 2024 года Роберто Майолино вместе с Ханной Юблер, ныне работающей в Институте внеземной физики Общества Макса Планка, и другими коллегами направили телескоп Джеймса Уэбба на QSO1 ещё на 10 часов. Учёные приблизили изображение до тех пор, пока точка не распалась на пиксельное пятно, и измерили спектр — конкретные оттенки света, исходившие от каждого пикселя. По этим спектрам они вычислили, с какой скоростью светящееся вещество в каждом пикселе движется к нам или от нас. Оказалось, что яркий материал — скорее всего, раскалённый газ — закручивается в бешеный вихрь, подтверждая предварительные догадки Фуртака.

Более пристальный взгляд, изложенный в двух препринтах, опубликованных в мае и августе, окончательно прояснил природу QSO1.

Ключом стала масса объекта. Воссоздав вихрь, команда напрямую измерила массу тела, вокруг которого он вращается: в 50 миллионов раз больше массы Солнца. Этот результат совпал с расчётами Фуртака и его коллег. (И сам по себе он — огромный шаг вперёд: он подтверждает, что более простая косвенная методика измерения массы по спектру всего объекта действительно применима и к молодым чёрным дырам, хотя именно это долго вызывало споры.)

Кроме того, исследователи не нашли никаких следов звёздной галактики вокруг QSO1. Газ вращается вокруг центрального пикселя так же, как Земля вокруг Солнца, — что указывает: вся масса сосредоточена в точке. Учёные оценили, что чёрная дыра составляет не меньше двух третей массы QSO1, остальное приходится на газ и, возможно, горстку звёзд. Теоретик Реган уверен: коллеги излишне осторожны и на самом деле QSO1 может быть чёрной дырой на все девяносто процентов. «Мы ещё никогда не сталкивались ни с чем подобным», — признаётся он.

Наконец, покадровые спектры выявили и состав газа, вращающегося вокруг чёрной дыры: это практически чистый водород — элемент, оставшийся от самого Большого взрыва. Звёзды светят, сливая водород в более тяжёлые элементы, а при взрывах разбрасывают эти элементы повсюду. QSO1, по‑видимому, сложилась в нынешний облик ещё до того, как вокруг успели родиться и погибнуть многие ближайшие звёзды.

«Наиболее правдоподобное объяснение, — считает Марта Волонтери, теоретик из Парижского института астрофизики, — заключается в том, что чёрная дыра возникла раньше самой галактики».

Скрытые истоки

Главная задача для астрофизиков сегодня — понять, как возникла QSO1 и её сородичи и как они превратились в те самые сверхмассивные чёрные дыры, что ныне сидят в центрах звёздных галактик. Эти гиганты могут весить миллиарды солнечных масс и уже к концу первого миллиарда лет Вселенной удерживали вокруг себя целые галактики.

Сверхмассивные чёрные дыры давно мучают воображение учёных. Известно, что галактики способны их производить, когда массивные звёзды догорают и умирают. Их мёртвые ядра сливаются, пожирают газ и пыль, набирая массу. По классическому сценарию в итоге в центре галактики образуется одна огромная чёрная дыра. Но всё это — медленный процесс, и астрофизики не могут представить, как он мог уложиться в столь короткий срок, чтобы уже через миллиард лет появились сверхмассивные чудовища. Поэтому десятилетиями рождались самые разные альтернативные гипотезы их происхождения.

Теперь же QSO1, лишённая какой‑либо галактики, ясно показывает: должен существовать и другой путь.

Итак, как же Вселенная могла напрямую сфабриковать такие исполины? Группа Майолино склоняется к гипотезе Хокинга. Сразу после Большого взрыва новорождённая Вселенная была неоднородна: где‑то плотность вещества оказывалась выше. Эти сгустки могли схлопнуться прямо в чёрные дыры, которые затем росли, поглощая всё вокруг. За сотни миллионов лет некоторые из таких первичных дыр могли достичь гигантских размеров — и выглядеть сегодня так же, как QSO1.

«Это наиболее правдоподобное объяснение из всех, что я вижу, — считает Волонтери. Но добавляет с улыбкой: — Уверена, в ближайшие полгода появится тысяча других теорий».

Ждать пришлось даже меньше. Ещё до открытия QSO1 Приямвада Натараджан, теоретик‑астрофизик из Йельского университета, вместе с коллегами опубликовала две непервичные гипотезы, способные объяснить происхождение объекта.

Первая теория предполагает, что после Большого взрыва образовались плотные области, которые не схлопнулись сразу. Сотни тысяч лет они развивались в облака газа. Остаточное излучение Большого взрыва мешало этим облакам остыть и раскрошиться в звёзды, позволяя им накопить достаточно массы, чтобы рухнуть прямо в чёрные дыры. В статье, опубликованной в июне, команда исследователей под руководством Вензера Циня из Нью‑Йоркского университета назвала эти чуть более поздние объекты «почти первичными» чёрными дырами.

А может, QSO1 всё‑таки возникла из галактики — но той, что вспыхнула, быстро породила массивную чёрную дыру и исчезла. В 2014 году Натараджан вместе с Талем Александером из Института Вейцмана описали сценарий, при котором одна звезда в особенно густонаселённом регионе коллапсирует в большую чёрную дыру, которая затем мечется по округе, словно Пакман, заглатывая газ и раздуваясь до исполинских размеров. Остальные ранние звёзды быстро угасают, оставляя чёрную дыру наедине с собой.

Ни одна из этих историй не ложится на QSO1 идеально, но каждая выглядит возможной. Единственное, что можно со всей уверенностью отвергнуть, — это учебниковый сценарий: постепенное схлопывание звёзд, их слияния и питание из диска газа.

QSO1 — не первая необычная чёрная дыра, найденная ТДУ, хотя именно она оказалась самой «обнажённой». Ещё один поразительный пример — галактика UHZ1, возникшая менее чем через полмиллиарда лет после Большого взрыва. Объединив данные ТДУ с рентгеновскими наблюдениями, собранными телескопом «Чандра» в 2022 году, Натараджан и её коллеги показали: и там чёрная дыра перевешивает саму галактику. Эти данные, наряду с другими особенностями, позволили им заключить, что чёрная дыра UHZ1 родилась, когда газовое облако в основном миновало звёздную стадию и коллапсировало напрямую. Такой сценарий, вполне возможно, подходит и для QSO1.

Для астрономов это вызов — и одновременно восторг: впервые они сталкиваются с новым пластом космической истории, и разобраться в нём нелегко. Реган сравнивает ситуацию с попыткой построить всю теорию человечества, имея лишь взрослых и подростков — именно так выглядели галактики до запуска ТДУ. А теперь появление малых красных точек похоже на открытие хаотичных и непредсказуемых «малышей», которых невозможно понять по опыту общения с взрослыми. «Это совсем другой вайб, — говорит Реган. — Они носятся как сумасшедшие».