Астрофизики не знают, существуют ли чёрные дыры прямого коллапса. Их существование – это гипотеза, которую выдвинули, чтобы объяснить, откуда во Вселенной на таком раннем этапе могли появиться сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД). Им не требуется ни звёздный прародитель, ни иерархическое слияние. Вместо этого они коллапсируют напрямую из нестабильного газового облака, прямо как звёзды.
Недавно астрономы, работающие с изображениями, полученными в ходе исследования COSMOS-Web — обзора «Уэбба», наблюдающего за более чем миллионом галактик в космическом времени, — обнаружили нечто странное. Они увидели двуядерную галактику, вероятно, образовавшуюся в результате столкновения двух галактик. Они прозвали её галактикой Бесконечность, потому что она напоминает символ бесконечности.
Но не это самое странное.
Сверхмассивная чёрная дыра в этой галактике существует не в ядрах, а между ними. Она находится в огромном облаке газа, и исследователи считают, что это может быть та самая чёрная дыра прямого коллапса, о существовании которых думали уже давно. Если это действительно так, то это как раз и будет объяснением того, как в космическом пространстве появились такие массивные чёрные дыры на ранних этапах развития Вселенной.
Питер ван Доккум — профессор астрономии и физики Йельского университета и ведущий автор статьи об этом открытии, озаглавленной «Галактика Бесконечность: кандидатура на сверхмассивную чёрную дыру прямого коллапса между двумя массивными кольцеобразными ядрами», опубликованной в журнале The Astrophysical Journal Letters.
«...Мы думаем, что являемся свидетелями рождения сверхмассивной чёрной дыры, чего раньше никогда не наблюдалось». — Питер ван Доккум, Йельский университет.
«Мы сообщаем об открытии необычного объекта с z=1,14, названного галактикой Бесконечность, на снимках „Уэбба“ в поле обзора COSMOS», — говорится в статье. По словам авторов, морфология объекта позволяет предположить, что он образовался при столкновении двух галактик с параллельными дисками, в результате чего вокруг обеих галактик образовались кольца столкновения. Данные телескопов Keck, Chandra и VLA указывают на то, что в галактике Бесконечность находится активно растущая СМЧД. «Примечательно, что СМЧД не связана ни с одним из двух ядер, а находится в промежутке между ними как по расположению, так и по радиальной скорости», — говорится в статье.
«Мы предполагаем, что СМЧД сформировалась в этом газе сразу после столкновения, когда он был плотным и очень турбулентным», — пишут ван Доккум и его соавторы. Они пояснили, что последующие наблюдения с помощью «Уэбба» могут подтвердить это открытие и «продемонстрировать, что „прямое“ образование СМЧД в результате гравитационного коллапса возможно в экстремальных условиях».
«В этой галактике все необычно. Она не только выглядит очень странно, но и имеет сверхмассивную чёрную дыру, которая втягивает в себя огромное количество материала», — сказал ван Доккум в пресс-релизе. «Самым большим сюрпризом стало то, что чёрная дыра находится не внутри одного из двух ядер, а в центре. Мы спросили себя: как мы можем это понять?»
«Обнаружение чёрной дыры не в ядре массивной галактики само по себе необычно, но ещё более необычна история того, как она туда попала», — продолжает ван Доккум. «Скорее всего, она не попала туда извне, а сформировалась там. И довольно недавно. Другими словами, мы считаем, что наблюдаем рождение сверхмассивной чёрной дыры – а такого ещё не было».
Существует две теории, объясняющие образование СМЧД. Это теории «лёгких зародышей» и «тяжёлых зародышей». Сценарий «лёгких зародышей» начинается с чёрных дыр звёздной массы, которые образуются при взрыве массивных звёзд, когда появляется сверхновая с последующим коллапсом ядра. Эти чёрные дыры могут иметь массу до 1 000 солнечных масс, а может быть, и больше. Если их окажется достаточно много в одной области, то последовательные слияния со временем приведут к образованию СМЧД. «Проблема в том, что процесс слияния требует времени, а «Уэбб» обнаружил невероятно массивные чёрные дыры в невероятно ранние периоды существования Вселенной — возможно, даже слишком ранние, чтобы этот процесс мог объяснить их наличие», — говорит ван Доккум.
В сценарии «тяжёлых зародышей» СМЧД с массой до миллиона солнечных масс образуется в результате прямого коллапса газового облака. Это происходит быстро, без слияний или необходимости в звёздных предшественниках. «Однако проблема формирования чёрной дыры из газового облака заключается в том, что газовые облака предпочитают образовывать звезды при коллапсе, а не чёрные дыры, поэтому должен существовать какой-то процесс, препятствующий образованию звезды. Неясно, как этот процесс прямого коллапса может сработать на практике», — пояснил ван Доккум.
По словам ван Доккума, он и его коллеги-исследователи собрали воедино результаты научных наблюдений, которые объясняют существование галактики «Бесконечность». Две дисковые галактики столкнулись миллиарды лет назад и образовали кольцевые структуры вокруг галактик. В результате столкновения газ галактик подвергся шоку и сжался настолько, что образовал плотность, которая сколлапсировала напрямую в чёрную дыру.
«Существует довольно много косвенных доказательств этого», — пояснил ван Доккум. «Мы наблюдаем большую полосу ионизированного газа, в частности водорода, лишённого электронов, которая находится прямо посередине между двумя ядрами, окружающими сверхмассивную чёрную дыру. Мы также знаем, что чёрная дыра активно растёт — об этом свидетельствуют рентгеновские лучи, полученные с помощью рентгеновской обсерватории НАСА „Чандра“, и радиосигналы, полученные с помощью Очень Большой Антенной Решётки. Тем не менее, вопрос в том, сформировалась ли она там?»
Конечно, есть и другие возможности, которые пока нельзя исключать. «Во-первых, это может быть беглая чёрная дыра, выброшенная из галактики и просто пролетающая мимо», — говорит ван Доккум. Или это может быть СМЧД третьей галактики, находящейся в том же месте. Мы можем её не замечать – но для этого она, скорее всего, должна быть карликовой галактикой. Единственная проблема заключается в том, что в карликовых галактиках не появлялись СМЧД.
Если бы один из этих сценариев был верен, то скорость газа СМЧД отличалась бы от скорости газа в галактике Бесконечность. Исследователи запросили и получили дополнительное время наблюдений «Уэбба», чтобы измерить скорости газа. Если бы скорости были близки друг к другу, то это укрепило бы идею о том, что это чёрная дыра прямого коллапса.
«Мы подали заявку и получили рабочее время телескопа, чтобы проследить за этой чёрной дырой с помощью „Уэбба“, и наши предварительные результаты восхитительны. Во-первых, подтверждается наличие протяжённого распределения ионизированного газа между двумя ядрами», — сказал ван Доккум. «Во-вторых, чёрная дыра находится в центре распределения скоростей этого окружающего газа — как и ожидается от варианта, в котором она образовалась прямо там. Это ключевой результат, которого мы добивались!»
Но дополнительные наблюдения «Уэбба» преподнесли ещё один неожиданный сюрприз. Они обнаружили ещё две СМЧД, по одной в каждой галактике.
«Мы не можем однозначно сказать, что нашли чёрную дыру прямого коллапса. Но мы можем сказать, что эти новые данные укрепляют версию о том, что мы наблюдаем новорождённую чёрную дыру, устраняя при этом некоторые из конкурирующих объяснений. Мы продолжим изучать данные и исследовать эти возможности».
«Если предложенный нами сценарий подтвердится, галактика Бесконечность станет эмпирической демонстрацией того, что образование СМЧД через прямой коллапс может происходить в подходящих условиях – а ведь до сих пор это наблюдалось только в симуляциях и в косвенных наблюдениях», — заключают авторы.