Обнаружение звезды черной дыры MoM-BH*-1 с помощью JWST

Наблюдая за крошечным красным объектом в ночном небе, астрономы, как правило, сталкиваются с эмиссионной туманностью, светящейся в водородно-альфа свете. Однако когда этот объект фиксирует телескоп Джеймса Уэбба, он может оказаться чем-то гораздо более необычным.

Астрономы, использующие JWST, изучили объект под названием MoM-BH*-1, который существовал всего через 660 миллионов лет после Большого взрыва. Он выглядит как красная точка света, но его спектр не ведет себя как обычная звезда или галактика. Основное объяснение — это ранее не наблюдаемая конфигурация, которую исследователи называют черной дырой-звездой.

Иллюстрация черной дыры-звезды, нового типа астрофизического объекта. Jose-Luis Olivares, MIT.

Черная дыра-звезда — это не обычная звезда с черной дырой внутри. Это предполагаемая система, в которой активно поглощающая черная дыра окружена огромной, крайне плотной оболочкой газа. Черная дыра обеспечивает энергию, в то время как газ перерабатывает эту энергию и создает нечто, напоминающее звездную атмосферу.

Обзор открытия черной дыры-звезды

Объект: MoM-BH*-1 Наблюдался с помощью: Телескопа Джеймса Уэбба Космический возраст: Приблизительно 660 миллионов лет после Большого взрыва Красное смещение: 7.7569 Выход энергии: Около 100 миллиардов раз больше солнечной светимости Ведущая интерпретация: Поглощающая массивная черная дыра внутри плотной водородной оболочки

Что именно увидел JWST?

MoM-BH*-1 был обнаружен во время исследования, известного как Mirage или Miracle, которое искало крайне ранние галактики. На изображениях JWST объект выглядел как очень яркая красная точка. Настоящий прорыв произошел во время спектроскопии, когда астрономы разделили его свет на отдельные длины волн.

Спектр содержал огромный Балмеровский разрыв, где количество обнаруженного света резко падало ниже определенной длины волны, связанной с водородом. Звездные популяции могут производить эту особенность, но разрыв в MoM-BH*-1 был сильнее, чем могли бы объяснить обычные звезды.

Спектр также содержал широкие, сложные линии эмиссии и абсорбции водорода в нескольких водородных линиях.

Согласно рецензируемому исследованию, опубликованному в Nature, наблюдения лучше всего воспроизводятся энергичной черной дырой, похороненной внутри чрезвычайно плотного, турбулентного газа. Предпочтительная модель почти не содержит пыли: сам водород поглощает и перерабатывает излучение, заставляя объект выглядеть красным.

_Изображение MoM-BH-1, сделанное телескопом Джеймса Уэбба. Rohan P. Naidu et al (Wikipedia)_*

Как черная дыра может выглядеть как звезда?

Обычная звезда получает энергию за счет термоядерного синтеза в своем ядре. Черная дыра-звезда будет получать энергию за счет аккреции. Газ, падающий к центральной черной дыре, высвобождает колоссальное количество энергии, которая затем проходит через толстую окружающую оболочку.

Газовая оболочка действует как гигантская псевдофотосфера. Она поглощает излучение от скрытого центрального двигателя и излучает его с гораздо большей эффективной поверхности. Модели, обсуждаемые в исследовании, располагают эту оболочку на расстоянии примерно от 10 до 100 астрономических единиц, что сопоставимо со масштабом нашей солнечной системы.

Этот размер зависит от модели, а не от поверхности, которую JWST непосредственно разрешил. С такого расстояния MoM-BH*-1 остается точкой света. Его внутреннюю структуру выводят из спектра и компьютерных моделей.

Точная масса черной дыры также остается неопределенной, поскольку привычные методы могут не сработать в такой экстремальной среде. В сводке MIT приводится рабочая оценка примерно в 100,000 солнечных масс, в то время как детализированные модели статьи в Nature обсуждают примерно от одного миллиона до десяти миллионов солнечных масс.

Исследователи предупреждают, что стандартные вычисления могут переоценивать массы черных дыр на порядки величины, поэтому это измерение еще не окончательное.

Анатомия черной дыры. ESO, ESA/Hubble, M. Kornmesser/N. Bartmann.

Почему это открытие имеет значение?

JWST обнаружил множество компактных объектов в ранней вселенной, известных как маленькие красные точки. Они яркие, красные и часто встречаются в древних наблюдениях, однако не вписываются в привычные категории галактик или активных черных дыр.

MoM-BH*-1 особенно ценен, поскольку предполагаемая черная дыра-звезда, похоже, затмевает почти всю свою галактику-хозяина. Это дает астрономам относительно чистый взгляд на сам источник. Подобные черные дыры, покрытые газом, встроенные в более яркие галактики, могли бы объяснить многие другие маленькие красные точки.

Это открытие также может помочь решить гораздо более крупную загадку: как сверхмассивные черные дыры так быстро росли после Большого взрыва. Плотный газ мог позволить ранней черной дыре поглощать материал с необычно высокой скоростью, одновременно улавливая или перераспределяя излучение, которое обычно отталкивало бы материал.

Таким образом, черная дыра-звезда могла бы представлять собой краткий этап роста на пути к становлению более привычным активным галактическим ядром или квазаром.

Интерпретация черной дыры-звезды в настоящее время является самой сильной моделью для MoM-BH*-1, но это не прямое изображение внутренней структуры объекта. Для проверки этой идеи потребуются более глубокие спектры, наблюдения на более длинных длинах волн и мониторинг на предмет изменчивости.

Звезды (слева) можно рассматривать как плотные шары газа, питающиеся термоядерным синтезом в своих центрах. Черные дыры (по центру) обычно растут за счет поглощения материи через аккреционный диск в форме блинчика. Черные дыры-звезды (справа) представляют собой новый тип объекта — зарождающиеся черные дыры, окруженные плотным газом, так что они эффективно излучают свет, как звезды. Аккреционная черная дыра, как источник энергии, выполняет роль термоядерного синтеза, а плотный окружающий газ действует аналогично псевдофотосфере.

Почему черная дыра-звезда выглядит красной?

Красный цвет MoM-BH*-1 не такой, как тот, который астрономы-любители фиксируют от эмиссионной туманности. В изображении водорода-альфа красный сигнал исходит от водорода, излучающего свет на определенной видимой длине волны.

MoM-BH*-1 был обнаружен в основном в более длинных инфракрасных диапазонах JWST. Его спектр содержит исключительно сильный Балмеровский разрыв, где его яркость резко падает ниже определенной длины волны. Ведущая модель предполагает, что крайне плотная водородная оболочка поглощает и перерабатывает излучение от аккреционной черной дыры.

Другими словами, объект не обязательно intrinsically красный так, как это выглядит у туманности водорода-альфа. Его цвет предоставляет доказательства того, как излучение проходит через плотный газ, окружающий черную дыру.

Спектроскопические данные телескопа Джеймса Уэбба о маленькой красной точке GLIMPSE-17775 содержат более 40 спектральных линий. Спектр содержит несколько независимых индикаторов, поддерживающих теорию о том, что эта маленькая красная точка является черной дырой-звездой: быстро аккрецирующей черной дырой, окруженной горячим, плотным газовым коконом. Эта многослойная, оболочкообразная среда перерабатывает свет, испускаемый вблизи черной дыры, и производит особенности, наблюдаемые в спектре. NASA/JWST.

Вопросы о черной дыре-звезде

Является ли черная дыра-звезда на самом деле звездой?

Нет. Черная дыра-звезда не получает энергию за счет термоядерного синтеза, как обычная звезда. Это предполагаемая система, в которой аккрецирующая черная дыра обеспечивает энергию, в то время как обширная оболочка плотного газа создает звездоподобную внешнюю атмосферу.

Что такое MoM-BH-1?*

MoM-BH*-1 — это чрезвычайно удаленный объект, наблюдаемый JWST во время исследования Mirage или Miracle. Его необычный спектр лучше всего объясняется массивной черной дырой, окруженной плотным, почти свободным от пыли водородным газом.

Когда существовал MoM-BH-1?*

JWST видит MoM-BH*-1 таким, каким он был примерно 660 миллионов лет после Большого взрыва. Его измеренное красное смещение составляет 7.7569.

Может ли любительский телескоп сфотографировать MoM-BH-1?*

Нет. Объект чрезвычайно удален, слаб и неразрешим. Для обнаружения его инфракрасного света и анализа спектра потребовался телескоп Джеймса Уэбба.

Туманность Тюльпан (Sharpless 2-101) находится рядом с Cygnus X-1, одной из первых подтвержденных черных дыр звездной массы. С нашей точки зрения на Земле эта мощная черная дыра находится прямо в той же космической области, что и светящееся газовое облако.

Перспектива любителя астрономии

Меня больше всего восхищает, как обычным выглядит этот объект на оригинальном изображении. Это, по сути, маленькая красная точка, именно такой элемент, который легко упустить из виду на загроможденной фотографии глубокого неба.

Как любители астрономии, мы проводим часы, собирая фотоны, чтобы раскрыть структуры, скрытые внутри туманностей и галактик. JWST делает то же самое в почти немыслимых масштабах, собирая древний свет и затем используя спектроскопию, чтобы раскрыть физику, стоящую за ним.

В данном случае красная точка может показать нам, как некоторые из первых массивных черных дыр во вселенной росли. Это замечательное количество информации, скрытое внутри одной точки света.