Вспышки питания чёрных дыр объясняют загадку «Маленьких красных точек» в ранней Вселенной

Новое теоретическое исследование, опубликованное в архиве препринтов arXiv, предлагает разгадку одной из самых интригующих загадок, обнаруженных телескопом «Джеймс Уэбб» (JWST): так называемых «Маленьких красных точек», разбросанных по ранней Вселенной. Учёные утверждают, что эти объекты могут быть чёрными дырами, переживающими редкие и бурные эпизоды поглощения вещества со скоростью, превышающей теоретические пределы.

С момента начала работы JWST астрономы были озадачены классом крошечных, тусклых объектов, которые появляются в ранней Вселенной в гораздо большем количестве, чем ожидалось. Они обладают характерным V-образным спектром — ярким как в ультрафиолете, так и в оптическом диапазоне, но с провалом между ними — а также широкими эмиссионными линиями, указывающими на наличие активных чёрных дыр. При этом у них отсутствует рентгеновское, радио- и инфракрасное излучение.

Эти объекты не похожи ни на обычные галактики, ни на квазары, и их природа оставалась открытым вопросом. Некоторые исследователи предполагали, что для объяснения «Маленьких красных точек» может потребоваться физика, выходящая за рамки стандартной космологической модели.

В новой работе Янъяо Чэнь из Нанкинского университета и Хоуцзюнь Мо из Массачусетского университета предлагают объяснение, полностью укладывающееся в стандартную парадигму. Используя модель формирования галактик, основанную на ΛCDM-космологии, они прослеживают эволюцию этих объектов от их зарождения более 13 миллиардов лет назад. Большинство зародышей чёрных дыр формируются при красном смещении выше 20 — когда Вселенной было менее 200 миллионов лет — внутри крошечных «мини-гало», оставшихся от первых поколений звёзд.

Эти первичные чёрные дыры относятся к классу промежуточных масс, но их недостаточно, чтобы самостоятельно питать «Маленькие красные точки». Решающую роль играет рост за счёт сверхэддингтоновской аккреции — поглощения вещества со скоростью до десятикратного превышения теоретического предела Эддингтона — в ходе так называемых «ядерных вспышек». Модель показывает, что именно эпизодические ядерные вспышки превращают зародыши в сверхмассивные чёрные дыры.

В результате, к моменту, когда они сияют как «Маленькие красные точки» при красном смещении 5 (примерно через миллиард лет после Большого взрыва), их чёрные дыры вырастают до масс от 100 тысяч до 1 миллиона солнечных. Эпизоды ядерных вспышек — это короткие и бурные события, вызванные внезапным гравитационным возмущением галактики, например слиянием или тесным сближением с другой галактикой. Это приводит к одновременному взрывному росту чёрной дыры и интенсивному звёздообразованию в компактном ядерном звёздном скоплении, что и порождает характерный V-образный спектр.

Важнейший вывод исследования заключается в том, что популяция «Маленьких красных точек» возникает из стандартной космологической модели естественным образом, без дополнительных подстроек. Будущее этих объектов неоднородно: некоторые из них со временем поглощаются массивными галактиками и становятся частью ярчайших скоплений, другие эволюционируют почти изолированно, их чёрные дыры почти не растут, и в итоге они напоминают компактные карликовые галактики. Модель также предсказывает, что обнаруженные JWST объекты — лишь «вершина айсберга» гораздо более многочисленной популяции менее ярких чёрных дыр в той же фазе бурного роста, скрытых за пределами текущей чувствительности телескопа.