Відкриття зірки чорної діри MoM-BH*-1 за допомогою JWST

Коли я фотографую маленький червоний об'єкт на нічному небі, це зазвичай емісійна туманність, що світиться у водневому альфа-світлі. Однак, коли телескоп Джеймса Вебба виявляє подібний об'єкт, це може виявитися чимось значно незвичнішим.

Астрономи, які використовували JWST, вивчили об'єкт, відомий як MoM-BH*-1, що існував приблизно через 660 мільйонів років після Великого вибуху. Він виглядає як червона точка світла, але його спектр не веде себе як звичайна зірка або галактика. Провідне пояснення — це раніше невідома конфігурація, яку дослідники називають зіркою чорної діри.

Ілюстрація зірки чорної діри, нового типу астрофізичного об'єкта. Хосе-Луїс Оліварас, MIT.

Зірка чорної діри — це не звичайна зірка з чорною дірою всередині. Це пропонована система, в якій активно живиться чорна діра, оточена величезною, надзвичайно щільною оболонкою газу. Чорна діра постачає енергію, тоді як газ переробляє цю енергію та створює щось, що нагадує зоряну атмосферу.

Відкриття зірки чорної діри у загальних рисах

Об'єкт MoM-BH*-1 Спостережено за допомогою Телескопа Джеймса Вебба Космічний вік Приблизно 660 мільйонів років після Великого вибуху Червоний зсув 7.7569 Вихід потужності Приблизно 100 мільярдів разів більше, ніж світність Сонця Провідне тлумачення Масивна чорна діра, що накопичує матеріал, всередині щільної водневої оболонки

Що насправді побачив JWST?

MoM-BH*-1 був відкритий під час обстеження, відомого як Mirage або Miracle, яке шукало надзвичайно ранні галактики. На зображеннях JWST об'єкт з'явився як дуже яскрава червона точка. Реальний прорив стався під час спектроскопії, коли астрономи розділили його світло на окремі довжини хвиль.

Спектр містив величезний Балмерівський розрив, де кількість виявленого світла різко знижувалася нижче певної довжини хвилі, пов'язаної з воднем. Зоряні популяції можуть виробляти цю особливість, але розрив у MoM-BH*-1 був сильнішим, ніж звичайні зірки могли б пояснити.

Спектр також містив широкі, складні емісійні та абсорбційні лінії водню в кількох водневих лініях.

Згідно з рецензованим дослідженням, опублікованим у журналі Nature, спостереження найкраще відтворюються енергійною чорною дірою, похованою всередині надзвичайно щільного, турбулентного газу. Вибрані моделі майже безпилові: сам водень поглинає та переробляє випромінювання, роблячи об'єкт червоним.

_Зображення MoM-BH-1, отримане телескопом Джеймса Вебба. Рохан П. Найду та ін. (Вікіпедія)_*

Як чорна діра може виглядати як зірка?

Звичайна зірка живиться ядерним синтезом у своєму ядрі. Зірка чорної діри, натомість, живиться акрецією. Газ, що падає до центральної чорної діри, вивільняє величезну енергію, яка проходить через товсту навколишню оболонку.

Газова оболонка діє як гігантська псевдосфери. Вона поглинає випромінювання з прихованого центрального двигуна та вивільняє його з набагато більшої ефективної поверхні. Моделі, обговорювані у дослідженні, розміщують цю оболонку на відстані приблизно 10 до 100 астрономічних одиниць, що порівнянно зі масштабом нашої сонячної системи.

Цей розмір залежить від моделі, а не від поверхні, яку JWST безпосередньо розрізняє. З цієї відстані MoM-BH*-1 залишається точкою світла. Його внутрішню структуру виводять з спектра та комп'ютерних моделей.

Точна маса чорної діри також залишається невизначеною, оскільки звичайні методи можуть не працювати в такому екстремальному середовищі. Підсумок MIT наводить робочу оцінку приблизно 100,000 сонячних мас, тоді як детальні моделі з статті в Nature обговорюють приблизно одну мільйон до десяти мільйонів сонячних мас.

Дослідники попереджають, що стандартні розрахунки можуть завищувати маси чорних дір на порядки, тому це вимірювання ще не остаточне.

Анатомія чорної діри. ESO, ESA/Hubble, М. Корнмессер/Н. Бартман.

Чому це відкриття важливе?

JWST виявив багато компактних об'єктів у ранньому Всесвіті, відомих як маленькі червоні точки. Вони яскраві, червоні та поширені в стародавніх спостереженнях, але не вписуються в звичні категорії галактик або активних чорних дір.

MoM-BH*-1 особливо цінний, оскільки пропонована зірка чорної діри, здається, перевищує майже всю свою галактику-господаря. Це дає астрономам відносно чистий погляд на сам джерело. Подібні чорні діри, покриті газом, вбудовані в яскравіші галактики, можуть пояснити багато інших маленьких червоних точок.

Відкриття також може допомогти з набагато більшою загадкою: як надмасивні чорні діри так швидко зросли після Великого вибуху. Щільний газ може дозволити ранній чорній дірі живитися на незвично високій швидкості, одночасно затримуючи або перерозподіляючи випромінювання, яке зазвичай відштовхує матеріал.

Таким чином, зірка чорної діри може представляти коротку фазу зростання на шляху до перетворення на більш звичний активний галактичний ядро або квазар.

Інтерпретація зірки чорної діри наразі є найсильнішою моделлю для MoM-BH*-1, але це не є пряме зображення внутрішньої частини об'єкта. Глибші спектри, спостереження на довших хвилях та моніторинг варіацій будуть потрібні, щоб перевірити цю ідею.

Зірки (ліворуч) можна вважати щільними кулями газу, живленими ядерним синтезом у своїх центрах. Чорні діри (по центру) зазвичай ростуть, споживаючи матерію через акреційний диск у формі млинця. Зірки чорної діри (праворуч) представляють новий вид об'єкта — зародкові чорні діри, оточені щільним газом, так що вони ефективно випромінюють у зоряному стилі. Акреційна чорна діра, як джерело енергії, виконує роль ядерного синтезу, а щільний навколишній газ діє подібно до псевдосфери.

Чому зірка чорної діри виглядає червоною?

Червоний вигляд MoM-BH*-1 не є таким же червоним світлом, яке астрономи-аматорі захоплюють від емісійної туманності. У зображенні водню-альфа червоний сигнал походить від водню, що випромінює світло на певній видимій довжині хвилі.

MoM-BH*-1 був виявлений переважно в довших інфрачервоних смугах JWST. Його спектр містить надзвичайно сильний Балмерівський розрив, де його яскравість різко знижується нижче певної довжини хвилі. Провідна модель припускає, що надзвичайно щільна воднева оболонка поглинає та переробляє випромінювання від акреційної чорної діри.

Іншими словами, об'єкт не є обов'язково внутрішньо червоним, як це виглядає у водневій альфа-туманності. Його колір надає свідчення про те, як випромінювання проходить через щільний газ, що оточує чорну діру.

Спектроскопічні дані телескопа Джеймса Вебба про маленьку червону точку GLIMPSE-17775 містять більше 40 спектральних ліній. Спектр містить кілька незалежних індикаторів, які підтримують теорію, що ця маленька червона точка є зіркою чорної діри: швидко акреційна, або зростаюча, чорна діра, оточена гарячою, щільною газовою оболонкою. Це багатошарове, оболонкоподібне середовище переробляє світло, яке випромінюється поблизу чорної діри, і виробляє особливості, що спостерігаються у спектрі. NASA/JWST.

Питання про зірки чорної діри

Чи є зірка чорної діри насправді зіркою?

Ні. Зірка чорної діри не живиться ядерним синтезом, як звичайна зірка. Це пропонована система, в якій акреційна чорна діра постачає енергію, тоді як величезна оболонка щільного газу створює зоряну подібну зовнішню атмосферу.

Що таке MoM-BH-1?*

MoM-BH*-1 — це надзвичайно віддалений об'єкт, спостережений JWST під час обстеження Mirage або Miracle. Його незвичайний спектр найкраще пояснюється масивною чорною дірою, оточеною щільним, майже безпиловим водневим газом.

Коли існував MoM-BH-1?*

JWST бачить MoM-BH*-1 таким, яким він з'являвся приблизно через 660 мільйонів років після Великого вибуху. Його виміряний червоний зсув становить 7.7569.

Чи може аматорський телескоп сфотографувати MoM-BH-1?*

Ні. Об'єкт надзвичайно віддалений, слабкий і неразрізнений. Виявлення його інфрачервоного світла та аналіз його спектра вимагали телескопа Джеймса Вебба.

Туманність Тюльпан (Sharpless 2-101) розташована прямо поряд з Cygnus X-1, однією з перших підтверджених чорних дір маси зірки. З нашої точки зору на Землі, ця потужна чорна діра виглядає прямо в тій же космічній окрузі, що й світить газовий хмара.

Перспектива аматорського астрофотографа

Найбільше мене вражає, як звичайно виглядає цей об'єкт на оригінальному зображенні. Це, по суті, маленька червона точка, саме той вид особливості, який легко пропустити на переповненій фотографії глибокого неба.

Як аматори-астрофотографи, ми витрачаємо години на збір фотонів, щоб виявити структури, приховані всередині туманностей і галактик. JWST робить те ж саме на майже неймовірному масштабі, збираючи давнє світло, а потім використовуючи спектроскопію, щоб розкрити фізику, що стоїть за цим.

У цьому випадку червона пляма може показувати нам, як зростали деякі з перших масивних чорних дір у Всесвіті. Це вражаюча кількість інформації, що ховається в одній точці світла.