Астрономы, исследующие далекую вселенную с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба , самого мощного телескопа НАСА, обнаружили класс галактик, который бросает вызов даже самым искусным существам в мимикрии, таким как осьминог-мимик . Это существо может выдавать себя за других морских животных, чтобы избежать хищников. Хотите быть камбалой? Нет проблем. Морской змеей? Легко.

Когда астрономы проанализировали первые изображения Уэбба отдаленных частей Вселенной, они заметили никогда ранее не виденную группу галактик. Эти галактики — несколько сотен из них, называемые Маленькими Красными Точками — очень красные и компактные, и видны только в течение примерно 1 миллиарда лет космической истории. Как и мимический осьминог, Маленькие Красные Точки озадачивают астрономов, потому что они выглядят как разные астрофизические объекты. Это либо очень тяжелые галактики, либо галактики скромного размера, каждая из которых содержит сверхмассивную черную дыру в своем ядре.

Однако одно можно сказать наверняка. Типичная Маленькая Красная Точка мала, ее радиус составляет всего 2% от радиуса галактики Млечный Путь . Некоторые еще меньше .

Как астрофизик , изучающий далекие галактики и черные дыры, я заинтересован в понимании природы этих маленьких галактик. Что питает их свет и что они собой представляют на самом деле?

Астрономы анализируют свет, который наши телескопы получают от далеких галактик, чтобы оценить их физические свойства , такие как количество звезд, которые они содержат. Мы можем использовать свойства их света, чтобы изучить Маленькие Красные Точки и выяснить, состоят ли они из множества звезд или внутри них находится черная дыра.

Свет, который достигает наших телескопов, имеет диапазон длин волн от длинных радиоволн до энергичных гамма-лучей . Астрономы разлагают свет на различные частоты и визуализируют их с помощью диаграммы, называемой спектром.

Иногда спектр содержит линии излучения , которые представляют собой диапазоны частот, где происходит более интенсивное излучение света. В этом случае мы можем использовать форму спектра, чтобы предсказать, содержит ли галактика сверхмассивную черную дыру, и оценить ее массу.

Аналогичным образом изучение рентгеновского излучения галактики может выявить присутствие сверхмассивной черной дыры.

Будучи настоящими мастерами маскировки, маленькие красные точки выглядят как различные астрофизические объекты в зависимости от того, решают ли астрономы изучать их с помощью рентгеновских лучей, эмиссионных линий или чего-то еще.

Информация, которую астрономы собрали до сих пор из спектров и линий излучения Маленьких Красных Точек, привела к двум расходящимся моделям, объясняющим их природу. Эти объекты представляют собой либо чрезвычайно плотные галактики, содержащие миллиарды звезд, либо они содержат сверхмассивную черную дыру.

Две гипотезы

В гипотезе «только звезды» Маленькие Красные Точки содержат огромное количество звезд — до 100 миллиардов звезд . Это примерно то же количество звезд, что и в Млечном Пути — гораздо более крупной галактике.

Представьте себе, что вы стоите в одиночестве в огромной пустой комнате. Это огромное тихое пространство представляет собой область вселенной в окрестностях нашей солнечной системы, где звезды разбросаны редко. А теперь представьте себе ту же комнату, но заполненную всем населением Китая.

Эта переполненная комната — то, как ощущалось бы ядро ​​самых плотных Маленьких 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.

Затем, есть гипотеза черной дыры. Большинство маленьких красных точек демонстрируют явные признаки присутствия сверхмассивной черной дыры в их центре. Астрономы могут определить, есть ли в галактике черная дыра, глядя на большие эмиссионные линии в их спектрах, созданные газом вокруг черной дыры, вращающимся с высокой скоростью.

Астрономы на самом деле оценивают эти черные дыры как слишком массивные по сравнению с размерами их компактных родительских галактик.

Черные дыры обычно имеют массу около 0,1% от звездной массы их родительских галактик. Но некоторые из этих маленьких красных точек содержат черную дыру, почти такую ​​же массивную, как вся их галактика. Астрономы называют их сверхмассивными черными дырами, потому что их существование бросает вызов обычному соотношению, которое обычно наблюдается в галактиках.

Но есть еще одна загвоздка. В отличие от обычных черных дыр, те, что предположительно присутствуют в Маленьких Красных Точках, не показывают никаких признаков рентгеновского излучения. Даже на самых глубоких , высокоэнергетических изображениях, на которых астрономы должны были бы легко наблюдать эти черные дыры, нет никаких следов от них.

Мало решений и много надежд

Так 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 испускают достаточно рентгеновских лучей? Какая головоломка.

С большим количеством наблюдений и теоретическим моделированием астрономы начинают предлагать 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 видны из черной дыры.

Или, может быть, в ядрах этих маленьких красных точек таятся сверхмассивные — даже сверхмассивные — черные дыры. Если это так, то две модели могут объяснить отсутствие рентгеновского излучения.

Во-первых, вокруг черной дыры может плавать огромное количество газа, что блокирует часть высокоэнергетического излучения, испускаемого из центра черной дыры. Во-вторых, черная дыра может втягивать газ гораздо быстрее, чем обычно. Этот процесс приведет к образованию другого спектра с меньшим количеством рентгеновских лучей, чем обычно видят астрономы.

Тот факт, что черные дыры слишком большие или сверхмассивные, может не быть проблемой для нашего понимания Вселенной, а скорее лучшим указанием на то, как родились первые черные дыры во Вселенной. Фактически, если первые черные дыры, которые когда-либо образовались, были очень массивными — примерно в 100 000 раз больше массы Солнца — теоретические модели предполагают, что отношение массы черной дыры к массе галактики-хозяина может оставаться высоким в течение длительного времени после образования.

Так как же астрономы могут раскрыть истинную природу этих маленьких точек света, которые светятся 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 обнаружить особенность, которую астрономы смогут отнести только к одному из двух сценариев.

Например, если бы астрономы четко зафиксировали рентгеновское или радиоизлучение, или инфракрасный свет, исходящий из области, где может находиться черная дыра, они бы знали, что гипотеза о черной дыре верна.

Так же, как наш морской друг может притвориться морской звездой, в конце концов он пошевелит щупальцами и раскроет свою истинную природу.