Астрономы, исследующие далекую Вселенную с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, самого мощного телескопа НАСА, обнаружили класс галактик, который бросает вызов даже самым искусным в мимикрии существам, таким как осьминог—мимикрист. Это существо может выдавать себя за других морских животных, чтобы избежать встречи с хищниками. Хочешь стать камбалой? Без проблем. Морская змея? Легко.
Когда астрономы проанализировали первые снимки отдаленных уголков Вселенной, сделанные Веббом, они обнаружили невиданную ранее группу галактик. Эти галактики, которых насчитывается несколько сотен и которые называются Маленькими красными точками, очень красные и компактные, и которые видны только в течение примерно 1 миллиарда лет космической истории. Маленькие красные точки, похожие на осьминога-мимишника, озадачивают астрономов, потому что выглядят как разные астрофизические объекты. Это либо очень тяжелые галактики, либо галактики небольшого размера, в центре каждой из которых находится сверхмассивная черная дыра.
Однако одно можно сказать наверняка. Типичная красная точка невелика, ее радиус составляет всего 2% от радиуса галактики Млечный Путь. Некоторые из них еще меньше.
Как астрофизику, изучающему далекие галактики и черные дыры, мне интересно понять природу этих маленьких галактик. Что питает их свет и что они собой представляют на самом деле?
Конкурс подражания
Астрономы анализируют свет, который наши телескопы получают от далеких галактик, чтобы оценить их физические свойства, такие как количество содержащихся в них звезд. Мы можем использовать свойства их света, чтобы изучить маленькие красные точки и выяснить, состоят ли они из множества звезд или внутри них есть черная дыра.
Свет, который достигает наших телескопов, имеет длину волны от длинных радиоволн до мощных гамма-лучей. Астрономы разбивают свет на различные частоты и визуализируют их с помощью диаграммы, называемой спектром.
Иногда спектр содержит линии излучения, которые представляют собой диапазоны частот, в которых происходит более интенсивное излучение света. В этом случае мы можем использовать форму спектра, чтобы предсказать, находится ли в галактике сверхмассивная черная дыра, и оценить ее массу.
Аналогичным образом, изучение рентгеновского излучения галактики может выявить присутствие сверхмассивной черной дыры.
Будучи непревзойденными мастерами маскировки, маленькие красные точки выглядят как различные астрофизические объекты, в зависимости от того, что астрономы предпочитают изучать - рентгеновские лучи, линии излучения или что-то еще.
Информация, которую астрономы собрали на данный момент о спектрах маленьких красных точек и линиях излучения, привела к двум расходящимся моделям, объясняющим их природу. Эти объекты являются либо чрезвычайно плотными галактиками, содержащими миллиарды звезд, либо содержат сверхмассивную черную дыру.
Две гипотезы
Согласно гипотезе "только звезды", маленькие красные точки содержат огромное количество звезд - до 100 миллиардов. Это примерно столько же звезд, сколько в Млечном Пути — гораздо более крупной галактике.
Представьте, что вы стоите в одиночестве в огромной пустой комнате. Это обширное тихое пространство представляет собой область Вселенной вблизи нашей Солнечной системы, где звезды разбросаны очень редко. А теперь представьте себе ту же комнату, но заполненную всем населением Китая.
Именно таким переполненным помещением могло бы казаться ядро из самых плотных красных точек. Эти астрофизические объекты могут быть самыми плотными звездными средами во всей Вселенной. Астрономы даже не уверены, могут ли такие звездные системы физически существовать.
Кроме того, существует гипотеза о черной дыре. Большинство маленьких красных точек демонстрируют явные признаки присутствия в их центре сверхмассивной черной дыры. Астрономы могут определить, есть ли в галактике черная дыра, посмотрев на большие линии излучения в спектрах, создаваемые газом, который вращается вокруг черной дыры с высокой скоростью.
Астрономы считают, что эти черные дыры слишком массивны по сравнению с размерами их компактных галактик.
Масса черных дыр обычно составляет около 0,1% от звездной массы их галактик-хозяев. Но некоторые из этих маленьких красных точек содержат черные дыры, почти такие же массивные, как и вся их галактика. Астрономы называют эти сверхмассивные черные дыры, потому что их существование противоречит общепринятому соотношению, обычно наблюдаемому в галактиках.
Однако есть еще одна загвоздка. В отличие от обычных черных дыр, те, что предположительно присутствуют в виде Маленьких красных точек, не проявляют никаких признаков рентгеновского излучения. Даже на самых глубоких снимках, сделанных при высокой энергии, на которых астрономы могли бы легко наблюдать эти черные дыры, от них не осталось и следа.
Мало решений и много надежд
Так не являются ли эти астрофизические диковинки массивными галактиками со слишком большим количеством звезд? Или в их центре находятся сверхмассивные черные дыры, которые слишком массивны и не излучают достаточного количества рентгеновских лучей? Какая загадка.
Благодаря дополнительным наблюдениям и теоретическому моделированию астрономы начинают находить некоторые возможные решения. Возможно, маленькие красные точки состоят только из звезд, но эти звезды настолько плотные и компактные, что они имитируют линии излучения, которые обычно наблюдаются из черной дыры.
Или, возможно, в ядрах этих маленьких красных точек скрываются сверхмассивные черные дыры. Если это так, то отсутствие рентгеновского излучения можно объяснить двумя моделями.
Во-первых, вокруг черной дыры может циркулировать огромное количество газа, который блокирует часть излучения высокой энергии, исходящего из центра черной дыры. Во-вторых, черная дыра может втягивать газ гораздо быстрее, чем обычно. Этот процесс привел бы к получению другого спектра с меньшим количеством рентгеновских лучей, чем обычно видят астрономы.
Тот факт, что черные дыры слишком велики или сверхмассивны, может быть не проблемой для нашего понимания Вселенной, а, скорее, лучшим показателем того, как появились первые черные дыры во Вселенной. На самом деле, если первые черные дыры, которые когда—либо образовались, были очень массивными — примерно в 100 000 раз больше массы Солнца, - теоретические модели предполагают, что их отношение массы черной дыры к массе галактики-хозяина могло оставаться высоким в течение длительного времени после образования.
Так как же астрономы могут раскрыть истинную природу этих маленьких пятнышек света, которые сияли в начале времен? Как и в случае с нашим мастером маскировки — осьминогом, секрет заключается в наблюдении за их поведением.
Использование телескопа Уэбба и более мощных рентгеновских телескопов для проведения дополнительных наблюдений в конечном итоге позволит выявить особенность, которую астрономы могут отнести только к одному из двух сценариев.
Например, если бы астрономы четко зафиксировали рентгеновское или радиоизлучение, а также инфракрасный свет, исходящий из того места, где может находиться черная дыра, они бы знали, что гипотеза о черной дыре верна.
Точно так же, как наш морской друг может притворяться морской звездой, в конце концов он пошевелит щупальцами и раскроет свою истинную природу.
