Анализируя данные наблюдений космического телескопа James Webb в рамках программы COSMOS-Web, два исследователя — Питер ван Доккум из Йельского университета и Габриэль Браммер из Копенгагенского университета — обнаружили нечто потенциально революционное.
Речь идет о галактике ранней Вселенной, получившей название Infinity Galaxy («Галактика Бесконечность»), которая может содержать первые прямые свидетельства формирования сверхмассивной черной дыры в результате так называемого прямого коллапса газового облака. Этот процесс долгое время оставался лишь гипотезой, но никогда не наблюдался напрямую.
Галактика имеет необычную структуру: два плотных красных ядра, каждое из которых окружено кольцом звезд, образуют фигуру, напоминающую символ бесконечности. Между ними находится обширная область ионизированного газа, в центре которой расположена активная черная дыра массой около миллиона солнечных. Она быстро растет, испуская рентгеновское и радиоволновое излучение.
Ключевым моментом является положение черной дыры — не внутри галактических ядер, а точно в центре системы. Это заставило ученых предположить, что она могла сформироваться на месте в результате коллапса газового облака, возникшего при слиянии двух галактик. Если эта гипотеза подтвердится, это станет первым прямым свидетельством механизма образования сверхмассивных черных дыр.
Две теории происхождения сверхмассивных черных дыр
Происхождение сверхмассивных черных дыр, чья масса в миллионы или даже миллиарды раз превышает солнечную, остается одной из главных загадок космологии. Существуют две основные теории: модель «легких зародышей» (light seeds) и модель «тяжелых зародышей» (heavy seeds).
Согласно первой, черная дыра возникает в результате гравитационного коллапса ядра массивной звезды после взрыва сверхновой. Такие черные дыры изначально имеют небольшую массу (до 1000 солнечных) и постепенно растут, поглощая материю и сливаясь с другими объектами. Однако этот процесс требует много времени, что не объясняет наличие сверхмассивных черных дыр уже в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва.
Альтернативная теория предполагает, что черная дыра массой до миллиона солнц может образоваться напрямую из коллапсирующего газового облака. Этот сценарий гораздо быстрее, но сталкивается с проблемой: газ обычно фрагментируется и превращается в звезды, а не в черную дыру. Поэтому обнаружение условий, при которых возможен прямой коллапс, — важная задача для астрономов.
Что произошло в Infinity Galaxy?
Ученые предполагают, что во время столкновения двух дисковых галактик, сформировавших Infinity Galaxy, газ в них подвергся сильному сжатию. Это могло создать сверхплотный газовый узел, который коллапсировал прямо в черную дыру. Подтверждением служит наличие ионизированного водорода вокруг черной дыры, а также ее активное поглощение материи, что видно по рентгеновскому и радиоизлучению.
Однако остается открытым вопрос: действительно ли черная дыра образовалась именно таким образом? Для окончательных выводов требуются дополнительные исследования.
Перспективная гипотеза, требующая проверки
Хотя открытие в Infinity Galaxy выглядит многообещающим, оно пока остается предварительным. Ученые уже получили дополнительное время для наблюдений с помощью James Webb, чтобы уточнить спектроскопические данные и проверить альтернативные объяснения — например, возможность того, что черная дыра была «выброшена» из другой галактики или принадлежала невидимой карликовой галактике.
Если гипотеза подтвердится, это станет первым прямым доказательством образования сверхмассивной черной дыры через прямой коллапс газового облака. Это также поможет объяснить, как такие объекты могли существовать уже в первые 500 миллионов лет после Большого взрыва.
Исследование принято к публикации в The Astrophysical Journal Letters.