Столкнувшись с данными наблюдений о первичных чёрных дырах и галактиках, существование которых не вписывалось в прежние представления, астрофизики разработали целый спектр гипотез для интерпретации этих феноменов. Теперь главная задача — определить, какие из этих моделей соответствуют действительности.
Размышляя над тайнами космоса, астрофизик Шарлотта Мейсон из копенгагенского Центра «Космический рассвет» предпочитает переносить свои мысли на бумагу. «Я визуал, — делится она. — Проще разобраться в сложной проблеме, когда набросаешь её схематично».
В последнее время её блокнот пестрит зарисовками «крошечных красных точек» — загадочных объектов, в изобилии обнаруженных космическим телескопом «Джеймс Уэбб». До запуска обсерватории в 2022 году никто не подозревал об их существовании, однако теперь известно, что они начали формироваться спустя всего 650 миллионов лет после Большого взрыва.
Эти объекты — лишь верхушка айсберга в списке открытий «Уэбба», перевернувших наши представления о ранней Вселенной. Астрономы столкнулись с чёрными дырами аномальной массы и древними галактиками, чей облик противоречит каноническим моделям эволюции космоса. Изначальный шок сменился потоком интригующих теорий, но лишь будущее покажет, какая из них верна.
Согласно одной из версий, «маленькие красные точки» могут являться чёрными дырами, скрытыми внутри плотных газовых «коконов», образуя так называемые «квазизвезды». В такой структуре плотная газовая оболочка вокруг чёрной дыры имитирует атмосферу обычного светила.
«Представьте нашу чёрную дыру», — говорит Мейсон, рисуя закрашенный круг. «Вокруг неё, вероятно, вращается аккреционный диск — источник части излучения». Она схематично изображает массивное газовое облако, окутывающее этот объект.
Однако, как полагает Мейсон, реальность может оказаться сложнее. Анализируя спектральные данные одной из таких точек, её команда обнаружила несоответствия: если бы объект был просто «завёрнут» в плотный газ, свет подвергся бы специфическим искажениям, которых, согласно наблюдениям, нет.
«Значит, модель нужно корректировать, — поясняет исследовательница, добавляя на чертеже разрывы в облаках вокруг дыры. — Если допустить, что газ неоднороден, итоговый спектральный сигнал гораздо лучше совпадает с тем, что мы зафиксировали».
Учёные по всему миру собирают эти фрагменты космического пазла воедино, стремясь восстановить хронологию зарождения Вселенной, и с каждым новым снимком «Уэбба» картина становится всё более отчётливой.
Бездонные ямы Вселенной
Особую дискуссию вызывают древние чёрные дыры, чей размер попросту невозможен согласно общепринятым теориям роста.
Вселенная в самом начале была гомогенной, однако уже через пару сотен миллионов лет в ней появились сверхмассивные чёрные дыры — миллиарды солнечных масс. «Чтобы объяснить такой стремительный рост, приходится идти на теоретические ухищрения», — отмечает Дженни Грин из Принстонского университета.
Ключевая дилемма заключается в исходной массе «зародыша» и скорости его поглощения материи. В современной Вселенной чёрные дыры рождаются из коллапсирующих ядер массивных звёзд (порядка 100 солнечных масс), но набрать миллиард масс за столь короткий срок — задача почти невыполнимая.
Ранее считалось, что темп роста ограничен пределом Эддингтона, когда излучение аккреционного диска сдерживает падение вещества. Однако компьютерные симуляции намекают на возможность «супер-эддингтоновской» аккреции, при которой раздувшийся диск позволяет чёрной дыре поглощать материю с колоссальной скоростью.
Другая гипотеза — «прямой коллапс», при котором огромные облака газа схлопываются в чёрную дыру, минуя стадию звёздообразования. Это позволяет создать «зародыш» массой в 10 000 солнц. Однако для этого требуются идеальные и крайне редкие условия, что не объясняет повсеместность подобных объектов.
Тем не менее, в 2024 году были получены данные о чёрной дыре, растущей в 40 раз быстрее предела Эддингтона. Это подкрепляет теорию о том, что даже «небольшие» зародыши способны к невероятно интенсивному развитию.
Моделирование формирования галактики в первые 550 миллионов лет после Большого взрыва. Панели слева направо представляют тёмную материю, газ и звёзды.
Впрочем, недавнее изучение одной «голой» чёрной дыры без видимых звёзд вокруг указывает на возможный прямой коллапс в самом начале времён. «Физика процессов роста неоднородна, — подытоживает Грин, — и именно эти различия мы пытаемся сейчас классифицировать».
Генезис галактик
Подобно чёрным дырам, ранние галактики демонстрируют аномальную светимость. Теоретики пересматривают этапы их формирования, начиная с того, как тёмная материя собиралась в гало, притягивая водород и гелий.
«До достижения критического красного смещения 15 [270 млн лет] развитие идёт вяло, но затем поток газа резко ускоряется, — поясняет Рэйчел Сомервилл из Института Флэтайрон. — К значению 9 [550 млн лет] перед нами уже сформировавшаяся галактика».
Звёздные скопления сливаются, образуя галактику примерно через 500 миллионов лет после Большого взрыва.
Обнаружение ярких галактик уже через 280 миллионов лет после Большого взрыва заставило учёных усомниться в основах космологии, но сегодня доминирует мнение о более эффективном преобразовании газа в звёзды. Возможно, в ранние эпохи рождались преимущественно гигантские, невероятно яркие звёзды.
«Сюрпризом стало колоссальное разнообразие свойств объектов, — отмечает Хаким Атек из Сорбонны. — Мы ожидали однородности, а видим целый спектр состояний: от „голых“ галактик, почти лишенных газа, до объектов, плотно наполненных пылью и топливом для новых звёзд».
Изучение избытка азота в некоторых группах галактик также намекает на наличие в них необычно массивных светил, которые обогащали межзвёздную среду химическими элементами еще на заре времён.
Космическая преемственность
Зажжение первых звёзд ознаменовало эпоху реионизации: излучение этих гигантов ионизировало нейтральный водород, рассеивая «космический туман». Эти звёзды-матери наполнили Вселенную углеродом, кислородом и железом — необходимыми кирпичиками жизни.
Датский принц Гамлет в своей знаменитой тираде видел в звёздах лишь «чумное скопление паров», а в человеке — лишь «квинтэссенцию праха». Современная астрофизика парадоксальным образом подтверждает эту правоту: мы действительно состоим из останков звёздного вещества, выброшенного в пространство миллиарды лет назад.
Однако, в отличие от шекспировского героя, современные учёные видят в этом прахе не повод для уныния, а триумф научного познания, позволяющий нам осознать наше истинное место в грандиозной летописи космоса.
