NASA Webb знаходить найсильніші докази для «Зірок чорних дір» - Наука NASA

Складна головоломка, відома як маленькі червоні точки, стала більш повною з моменту їх первісного відкриття за допомогою Космічного телескопа Джеймса Вебба NASA у 2022 році. Тепер спектр однієї конкретної маленької червоної точки допомагає з'єднати багато частин.

Команда астрономів на чолі з Василем Кокоревим з Університету Техасу в Остіні ідентифікувала щасливу точку: GLIMPSE-17775. Ретельно аналізуючи спектр точки, захоплений Веббом — найглибший спектр на сьогоднішній день маленької червоної точки — дослідницька команда виявила численні лінії доказів, які всі підтримують інтерпретацію, що GLIMPSE-17775 є надмасивною чорною дірою, оточеною щільним коконом частково іонізованого газу, модель, відому як сценарій BH* (чорна діра-зірка). Стаття, що описує результати, була опублікована сьогодні в Журналі астрофізики.

"Я думаю, що частина наукової спільноти сходиться на єдиній картині — що маленькі червоні точки можна пояснити моделями чорних дір-зірок. Але жодна з попередніх маленьких червоних точок не має всіх частин доказів в одному місці," — сказав Кокорев, головний автор дослідження. "З GLIMPSE-17775 ми можемо перевірити ці моделі через те, наскільки глибокий і дивовижний спектр цього джерела."

Невдовзі після того, як Вебб почав наукові операції, він виявив новий, загадковий тип об'єкта в дуже ранньому всесвіті — численні червоні об'єкти, які з'явилися приблизно через 600 мільйонів років після великого вибуху. Вчені досліджували кілька пояснень для цих маленьких червоних точок, включаючи сценарій чорної діри-зірки.

Набір щасливих обставин призвів до цього нового, складного спектру маленької червоної точки. Маленька червона точка, яка стала відомою як GLIMPSE-17775, була щасливо включена в зусилля Вебба з зображення та спектроскопії для проекту, що прагнув знайти зірки популяції III та слабкі галактики в галактичному кластері Abell S1063. Ця маленька червона точка є більш віддаленою, ніж галактичний кластер, і збільшена гравітаційним лінзуванням. (GLIMPSE-17775 має космологічний червоний зсув 3.5, що означає, що вона існувала приблизно через 1.8 мільярдів років після великого вибуху.)

Хоча Вебб надав 30-годинний спектр маленької червоної точки, ефект гравітаційного лінзування зробив його еквівалентним 80 годинам телескопного часу. Ця комбінація інфрачутливості Вебба та власної "лупи" природи посилила кількість деталей, які можна було отримати з GLIMPSE-17775. Результатом стало більше 40 спектральних ліній з цього маленького червоного джерела, що є найдетальнішим спектром маленької червоної точки на сьогоднішній день.

"Коли ми вперше побачили спектр, це було як мати всі частини головоломки розкиданими по підлозі," — сказав Кокорев. "Ми підбирали кожну частину головоломки, вимірювали лінії і почали поєднувати різні частини в мозаїку. Можливо, кілька частин спочатку виглядали як нічого, але потім кілька з них з'єдналися, і ми зрозуміли, що там щось є."

Спектроскопічні дані, зібрані Веббом, містять численні лінії доказів, які підтримують інтерпретацію, що маленька червона точка GLIMPSE-17775 є зіркою чорної діри: швидко акреційна, або зростаюча, чорна діра, оточена щільним газовим коконом, який переробляє світло, що випромінюється з близькості до чорної діри, і виробляє особливості, які видно в спектрі.

Серед 40+ ліній, які команда виявила в спектрі GLIMPSE-17775, були різні незалежні індикатори, які всі узгоджуються зі сценарієм BH*. Наприклад, команда виявила, що багато спектральних ліній, таких як водень, кисень і гелій, не підходять під просту модель обертового газового хмари. Натомість найкраща модель включає ефект розширення, відомий як розсіяне електронне випромінювання, що є характерною ознакою того, що щільний, багатошаровий газовий кокон оточує це джерело.

Сила і співвідношення певних ліній одна до одної, особливо 16 залізних ліній, які складають те, що команда назвала "залізним лісом", і певні лінії кисню, вимагають джерела високої енергії для їх виробництва, як швидко акреційна чорна діра. Крім того, астрономи зазначили флуоресценцію та поглинання гелію в спектрі, обидва з яких окремо вказують на те, що є щільне середовище, що оточує потужне джерело.

Сценарій BH* не тільки підходить для GLIMPSE-17775; він також пояснює, чому більшість маленьких червоних точок слабкі в рентгенівських променях, оскільки будь-яке таке випромінювання, ймовірно, поглинається щільним газовим коконом.

Один відсутній елемент головоломки GLIMPSE-17775 — це частина спектра, яка б виявила те, що відоме як Балмерівський злам, або сильне зниження випромінюваного світла, яке є характерною ознакою маленьких червоних точок. Щоб побудувати більш комплексне розуміння цієї маленької червоної точки, команда включила допоміжні дані з двох спостережних програм, які використовували Космічний телескоп Хаббла NASA: програми Frontier Fields та BUFFALO (Beyond Ultra-deep Frontier Fields And Legacy Observations).

Дані Вебба та Хаббла разом допомагають пояснити, чому Балмерівський злам є слабшим, ніж зазвичай спостерігається в інших маленьких червоних точках: величезна галактика-господар оточує GLIMPSE-17775. Хоча галактика-господар маленької червоної точки не є чимось, що зазвичай спостерігалося на такому масштабі раніше, це не суперечить моделі щільного газового кокона. Модель чорної діри-зірки маленьких червоних точок відносить надлишкове синє світло до зірок у галактиці-господарі.

Коли Вебб вперше виявив маленькі червоні точки, деякі дослідники думали, що ці об'єкти мають "зламану космологію", не впевнені, як галактики могли вирости такими великими так швидко в ранньому всесвіті, щоб пояснити все це світло, що виходить від їх зірок. Однак команда вважає, що частина головоломки GLIMPSE-17775 добре вписується в існуючу структуру еволюційної історії всесвіту, оскільки маси чорних дір не повинні бути такими високими, щоб пояснити широкі лінії випромінювання.

"Все підходить, нічого не зламано, і я думаю, що це робить головоломку, яка є нашим всесвітом, ще кращою," — сказав Кокорев. "Дивлячись вперед, я з нетерпінням чекаю, щоб заглибитися глибше і дізнатися, що живить центральні двигуни маленьких червоних точок. Хоча ми думаємо, що це чорна діра, є й інші цікаві теорії, які пропонуються, що є захоплюючим. Можливо, через рік або два ми отримаємо остаточну відповідь на те, що живить ці джерела."

Космічний телескоп Джеймса Вебба є провідною обсерваторією космічної науки у світі. Вебб розкриває таємниці в нашій сонячній системі, дивлячись далі на віддалені світи навколо інших зірок, і досліджує загадкові структури та походження нашого всесвіту і нашого місця в ньому. Вебб є міжнародною програмою, очолюваною NASA разом з його партнерами, ESA (Європейське космічне агентство) та CSA (Канадське космічне агентство).