Летом 2022 года, вскоре после начала работы космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), астрономы обнаружили загадочную закономерность – множество крошечных красных точек на новых изображениях. Эти чрезвычайно компактные и отчетливо красные объекты были видны с удивительной четкостью благодаря беспрецедентной чувствительности JWST, и их количество значительно превосходило все ожидания. Открытие указывало на существование целой новой популяции удаленных космических источников, недоступных для наблюдений телескопа Хаббл. Такое ограничение было логичным: в астрономии «очень красный» означает, что объект испускает большую часть света на длинных волнах, в основном в среднем инфракрасном диапазоне, чего Хаббл не мог регистрировать, в отличие от JWST, специально созданного для этих целей.
Последующие данные прояснили, что эти объекты находились на невероятно большом расстоянии. Даже свет от ближайших из них путешествовал к нам 12 миллиардов лет. Поскольку взгляд вглубь космоса означает и взгляд в прошлое, мы видим эти объекты такими, какими они были 12 миллиардов лет назад, примерно через 1,8 миллиарда лет после Большого взрыва.
Это открытие поставило перед учеными сложные вопросы. Для интерпретации астрономических наблюдений исследователи полагаются на модели, описывающие внешний вид различных небесных тел. К примеру, звезды классифицируются как гигантские плазменные сферы с ядерным синтезом, и их спектральные характеристики хорошо изучены. Однако маленькие красные точки не вписывались ни в одну из знакомых категорий, что заставило астрономов искать более радикальные объяснения. Одно из ранних предположений заключалось в том, что это необычайно плотные галактики с огромным количеством звезд, а их красный цвет вызван толстыми слоями пыли. Для наглядности: если поместить Солнечную систему в куб со стороной в один световой год, в нашей части космоса он содержал бы лишь Солнце. В гипотетических красных точках такой же куб вмещал бы сотни тысяч звезд. В Млечном Пути лишь центральное ядро достигает сопоставимой плотности звезд, но и оно содержит лишь тысячную часть тех, что предполагались для моделей «маленьких красных точек». Если бы эти галактики действительно содержали сотни миллиардов солнечных масс звезд менее чем через миллиард лет после Большого взрыва, это бросило бы вызов фундаментальным теориям формирования галактик. Как отмечает соавтор исследования Бинцзе Ван из Университета штата Пенсильвании, «ночное небо такой галактики было бы ослепительно ярким. Если эта интерпретация верна, это означает, что звезды формировались посредством чрезвычайных процессов, которые никогда ранее не наблюдались».
Быстро возникла научная дискуссия. Одни исследователи склонялись к гипотезе о плотных, богатых звездами и пылью галактиках, другие же предполагали, что «маленькие красные точки» на самом деле являются активными ядрами галактик (АЯГ), скрытыми за массивными облаками пыли. АЯГ образуются, когда вещество по спирали падает в центральную черную дыру, формируя экстремально горячий аккреционный диск. Но и эта интерпретация столкнулась с трудностями: спектры красных точек значительно отличались от известных АЯГ, затененных пылью. Кроме того, такой сценарий требовал наличия небывалого количества сверхмассивных черных дыр с огромными массами, намного больше, чем предполагалось, учитывая число обнаруженных JWST объектов. Несмотря на разногласия, астрономы были едины в одном: для решения загадки требовалось больше данных, а именно – спектры, раскрывающие количество света, излучаемого объектами на разных длинах волн. Получение такого времени на крупных телескопах сопряжено с жесткой конкуренцией. Однако, как только значимость «маленьких красных точек» стала очевидной, множество групп подали заявки. Среди успешных оказалась программа RUBIES – сокращение от Red Unknowns: Bright Infrared Extragalactic Survey – под руководством Анны де Граафф из Института астрономии Макса Планка.
С января по декабрь 2024 года команда RUBIES провела почти 60 часов наблюдений с JWST, собрав спектры 4500 удаленных галактик. Это стало одним из крупнейших наборов спектроскопических данных, полученных с помощью JWST. Как сообщил Рафаэль Хвидинг из Института астрономии Макса Планка, «в этом наборе данных мы обнаружили 35 «маленьких красных точек». Большинство из них уже были известны по общедоступным изображениям JWST. Но новые объекты оказались наиболее экстремальными и примечательными». Самое впечатляющее открытие произошло в июле 2024 года: чрезвычайно удаленный объект, получивший название «Утес» (The Cliff), свет от которого путешествовал к Земле 11,9 миллиарда лет (красное смещение z=3.55). Его свойства указывали на то, что это был особенно яркий и интенсивный представитель популяции «маленьких красных точек», что делало его критически важным для проверки любых существующих теорий.
«Утес» получил свое название из-за драматической особенности в его спектре. В области, которая обычно относится к ультрафиолетовому диапазону, спектр демонстрировал очень резкий подъем. Из-за расширения Вселенной эта длина волны растянулась почти в пять раз от своего первоначального значения, переместившись в ближний инфракрасный диапазон – это процесс, известный как космологическое красное смещение. Этот резкий подъем известен как «Бальмеровский скачок». Бальмеровские скачки встречаются в обычных галактиках, особенно в тех, которые формируют мало или совсем не формируют новых звезд, но они гораздо слабее того, что наблюдалось у «Утеса».
Необычайно резкий Бальмеровский скачок «Утеса» поставил под сомнение обе ведущие интерпретации «маленьких красных точек». Де Граафф и ее коллеги проверили широкий спектр моделей галактик и активных ядер галактик, пытаясь воспроизвести особенности спектра объекта. Каждая модель потерпела неудачу. Анна де Граафф отмечает: «Экстремальные свойства «Утеса» вынудили нас вернуться к началу и разработать совершенно новые модели». Примерно в это же время в исследовании, опубликованном в сентябре 2024 года учеными из Китая и Великобритании, было высказано предположение, что некоторые особенности Бальмеровского скачка могут исходить не от звезд. Команда де Граафф сама уже рассматривала похожую идею. Бальмеровские скачки могут появляться в спектрах отдельных, очень горячих, молодых звезд, а также в галактиках, содержащих множество таких звезд. Удивительно, но «Утес» скорее напоминал спектр одной очень горячей звезды, чем целой галактики.
Опираясь на эту идею, де Граафф и ее сотрудники представили новую концепцию, которую они называют «черной дырой-звездой», или BH*. В этой модели центральным двигателем является активное ядро галактики, содержащее сверхмассивную черную дыру с аккреционным диском. Однако вместо пыли вся система окутана толстым слоем водородного газа, который придает излучаемому свету красный оттенок. Объекты BH* не являются истинными звездами, поскольку у них отсутствует ядерный синтез в центре. Газ вокруг них также гораздо более турбулентен, чем что-либо, обнаруживаемое в атмосфере обычной звезды. Тем не менее, базовая физическая ситуация сопоставима. Активное ядро галактики нагревает окружающую газовую оболочку так же, как ядерный синтез нагревает внешние слои звезды, создавая схожий внешний вид.
Представленные командой модели служат ранними доказательствами концепции. Они пока не идеально соответствуют данным, но воспроизводят наблюдаемые особенности успешнее, чем любая предыдущая модель. Резкий подъем в спектре, который вдохновил на название «Утес», может быть объяснен плотной, сферической, турбулентной газовой оболочкой вокруг активного ядра галактики. Если эта интерпретация верна, то «Утес» представляет собой экстремальный случай, где доминирует центральная «черная дыра-звезда», в то время как другие «маленькие красные точки» могут содержать различные комбинации света от BH* и окружающих звезд и газа.
Если объекты BH* реальны, они могут помочь прояснить еще одну давнюю загадку. Более ранние теоретические работы по немного меньшим черным дырам промежуточной массы предполагали, что такая конфигурация, окутанная газом, могла бы обеспечить очень быстрый рост черных дыр в ранней Вселенной. JWST уже обнаружил свидетельства необычайно массивных черных дыр в ранние эпохи. Если сверхмассивные «черные дыры-звезды» растут подобным образом, они могут предоставить новый механизм для объяснения этого быстрого роста. Пока неясно, могут ли объекты BH* достичь этого, но если да, это значительно повлияет на модели ранней эволюции галактик.
Однако, несмотря на эти многообещающие выводы, необходима осторожность. Результаты совершенно новые и следуют стандартной практике публикации научных работ только после их принятия рецензируемыми журналами. Станет ли эта идея общепризнанной, зависит от дальнейших доказательств, собранных в ближайшие годы.
Новые открытия – хоть и важный шаг, предлагающий первую модель, способную объяснить экстремальный Бальмеровский скачок «Утеса», – также порождают новые вопросы. Как такая «черная дыра-звезда» могла сформироваться в первую очередь? Что позволяет ее необычной газовой оболочке сохраняться в течение длительного времени (особенно с учетом того, что черная дыра поглощает газ и должна как-то пополняться)? Как возникают другие спектральные характеристики «Утеса»? Решение этих вопросов потребует как теоретического моделирования, так и дополнительных наблюдений. Команда де Граафф уже запланировала последующие наблюдения с JWST на следующий год, нацеленные на «Утес» и другие особенно интересные «маленькие красные точки». Эти будущие исследования помогут определить, действительно ли «черные дыры-звезды» играли роль в формировании самых ранних галактик. Эта возможность интригует, но далека от окончательного подтверждения.
Описанная работа была принята к публикации в журнале Astronomy & Astrophysics под заголовком «A remarkable Ruby: Absorption in dense gas, rather than evolved stars, drives the extreme Balmer break of a Little Red Dot at z = 3.5». Сопутствующая статья, возглавляемая Рафаэлем Хвидингом, представляющая более широкую выборку «маленьких красных точек» из обзора RUBIES, также была опубликована в том же журнале под названием «RUBIES: A spectroscopic census of little red dots — All point sources with v-shaped continua have broad lines». В числе исследователей – Анна де Граафф, Ханс-Вальтер Рикс и Рафаэль Э. Хвидинг из Института астрономии Макса Планка, а также Гейб Браммер (Cosmic Dawn Center), Дженни Грин (Принстонский университет), Иво Лаббе (Университет Суинберна), Рохан Найду (Массачусетский технологический институт), Бинцзе Ван (Университет штата Пенсильвания и Принстонский университет) и другие коллеги.
