NASA Webb находит самые сильные доказательства существования «звёзд черных дыр»

Сложная головоломка, известная как маленькие красные точки, стала более полной с момента их первоначального открытия с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба NASA в 2022 году. Теперь спектр одной конкретной маленькой красной точки помогает соединить многие из кусочков.

Команда астрономов под руководством Василия Кокорева из Университета Техаса в Остине идентифицировала удачную точку: GLIMPSE-17775. Тщательно анализируя спектр точки, захваченный Уэббом — самый глубокий спектр на сегодняшний день маленькой красной точки — исследовательская группа выявила множество линий доказательств, все из которых поддерживают интерпретацию, что GLIMPSE-17775 является сверхмассивной черной дырой, окруженной плотным коконом частично ионизированного газа, модель, известная как сценарий BH* (звезда черной дыры). Статья, описывающая результаты, была опубликована сегодня в журнале The Astrophysical Journal.

«Я думаю, что часть научного сообщества сходится на единой картине — что маленькие красные точки могут быть объяснены моделями звезд черных дыр. Но ни одна из предыдущих маленьких красных точек не имела всех кусочков доказательств в одном месте», — сказал Кокорев, главный автор исследования. «С GLIMPSE-17775 мы можем протестировать эти модели благодаря тому, насколько глубок и удивителен спектр этого источника.»

Вскоре после того, как Уэбб начал научные операции, он открыл новый, загадочный тип объекта в самом раннем универсуме — обилие красных объектов, которые появились примерно через 600 миллионов лет после Большого взрыва. Ученые исследовали множество объяснений для этих маленьких красных точек, включая сценарий звезды черной дыры.

Набор удачных обстоятельств привел к появлению этого нового, сложного спектра маленькой красной точки. Маленькая красная точка, которая впоследствии стала известна как GLIMPSE-17775, была удачно включена в усилия по изображению и спектроскопии Уэбба для проекта, который стремился искать звезды Популяции III и тусклые галактики в галактическом кластере Abell S1063. Эта маленькая красная точка более удалена, чем галактический кластер, и увеличена гравитационным линзированием. (GLIMPSE-17775 имеет космологический красный сдвиг 3.5, что означает, что она существовала примерно через 1.8 миллиарда лет после Большого взрыва.)

Хотя Уэбб предоставил 30-часовой спектр маленькой красной точки, эффект гравитационного линзирования сделал его эквивалентным 80 часам телескопного времени. Эта комбинация инфракрасной чувствительности Уэбба и «увеличительного стекла» природы усилила количество деталей, которые можно было извлечь из GLIMPSE-17775. Результатом стало более 40 спектральных линий из этого маленького красного источника, что является самым детализированным спектром маленькой красной точки на сегодняшний день.

«Когда мы впервые увидели спектр, это было похоже на то, как если бы все кусочки головоломки были разбросаны по полу», — сказал Кокорев. «Мы подбирали каждый кусочек головоломки, измеряли линии и начали комбинировать разные кусочки в мозаике. Возможно, некоторые кусочки сначала не выглядели как ничего, но затем несколько из них соединились, и мы поняли, что там что-то есть.»

Спектроскопические данные, собранные Уэббом, содержат множество линий доказательств, которые поддерживают интерпретацию, что маленькая красная точка GLIMPSE-17775 является звездой черной дыры: быстро аккрецирующая, или растущая, черная дыра, окруженная плотным газовым коконом, который перерабатывает свет, испускаемый вблизи черной дыры, и производит особенности, видимые в спектре.

Среди более чем 40 линий, которые команда обнаружила в спектре GLIMPSE-17775, были различные независимые индикаторы, которые все согласуются со сценарием BH*. Например, команда обнаружила, что многие спектральные линии, такие как водород, кислород и гелий, не соответствуют простой модели вращающегося газового облака. Вместо этого лучшая модель включает эффект расширения, известный как рассеяние электронов, что является явным признаком того, что плотный, многослойный газовый кокон окружает этот источник.

Сила и соотношения определенных линий друг к другу, особенно 16 линий железа, которые составляют то, что команда назвала «железным лесом», и определенные линии кислорода требуют высокоэнергетического источника для их производства, такого как быстро аккрецирующая черная дыра. Кроме того, астрономы отметили флуоресценцию и поглощение гелия в спектре, оба из которых по отдельности предполагают, что существует плотная среда, окружающая мощный источник.

Сценарий BH* не только подходит для GLIMPSE-17775; он также объясняет, почему большинство маленьких красных точек тусклые в рентгеновских лучах, поскольку любое такое излучение, вероятно, поглощается плотным газовым коконом.

Одним из недостающих элементов головоломки GLIMPSE-17775 является часть спектра, которая могла бы раскрыть то, что известно как разрыв Бальмера, или сильное падение в испускаемом свете, которое является характерной чертой маленьких красных точек. Чтобы построить более полное понимание этой маленькой красной точки, команда включила дополнительные данные из двух наблюдательных программ, которые использовали космический телескоп Хаббла NASA: программы Frontier Fields и BUFFALO (Beyond Ultra-deep Frontier Fields And Legacy Observations).

Данные Уэбба и Хаббла вместе помогают объяснить, почему разрыв Бальмера слабее, чем обычно наблюдается в других маленьких красных точках: гигантская галактика-хозяин окружает GLIMPSE-17775. Хотя галактика-хозяин маленькой красной точки не является тем, что обычно наблюдается в таком масштабе, это не противоречит модели плотного газового кокона. Модель звезды черной дыры маленьких красных точек приписывает избыточный синий свет звездам в галактике-хозяине.

Когда Уэбб впервые открыл маленькие красные точки, некоторые исследователи думали, что эти объекты имеют «сломленную космологию», не понимая, как галактики могли вырасти так быстро в ранней вселенной, чтобы объяснить весь этот свет, исходящий от их звезд. Однако команда считает, что кусочек головоломки GLIMPSE-17775 хорошо вписывается в существующую структуру эволюционной истории вселенной, поскольку массы черных дыр не должны быть такими высокими, чтобы объяснить широкие эмиссионные линии.

«Все складывается, ничего не сломано, и я думаю, что это делает головоломку, которая является нашей вселенной, еще лучше», — сказал Кокорев. «Смотря вперед, мне не терпится углубиться и узнать, что питает центральные двигатели маленьких красных точек. Хотя мы думаем, что это черная дыра, есть и другие интересные теории, которые предлагаются, что захватывающе. Возможно, через год или два у нас будет окончательный ответ на то, что питает эти источники.»

Космический телескоп Джеймса Уэбба — это ведущая обсерватория космической науки в мире. Уэбб решает загадки в нашей солнечной системе, смотрит дальше на далекие миры вокруг других звезд и исследует загадочные структуры и происхождение нашей вселенной и нашего места в ней. Уэбб — это международная программа, возглавляемая NASA с его партнерами, ESA (Европейское космическое агентство) и CSA (Канадское космическое агентство).