Космический телескоп «Джеймс Уэбб» создавали для изучения объектов, возникших вскоре после Большого взрыва. В эту эпоху оптика аппарата зафиксировала множество необъяснимых источников света, которые астрономы назвали «маленькими красными точками». Объекты обладали крошечными размерами (менее 100 парсек), но слишком ярко светились.
Специалисты предполагали, что это компактные галактики с активным рождением звезд или квазары, в центрах которых — обычные сверхмассивные черные дыры. Однако обе версии противоречили устоявшимся теориям, так как для формирования подобных объектов требовалось значительно больше времени.
«Маленькие красные точки» появились, когда Вселенной было всего несколько сотен миллионов лет, но весили как миллионы Солнц. Стандартная модель не могла объяснить столь высокую скорость роста, для превращения звездных остатков в сверхмассивные гиганты просто не хватило бы времени. Другая странность заключалась в том, что активные черные дыры обычно излучают мощный рентгеновский сигнал, а «маленькие красные точки» в этом диапазоне молчали.
Команда астрофизиков из Гарварда в свежей статье пришла к выводам, что загадочные объекты появились путем прямого коллапса газовых облаков плотного водорода. Результаты опубликовали на сервере препринтов arXiv и отправили на рецензирование в журнал Nature.
Астрофизики разработали детальное радиационно-гидродинамическое моделирование. Они рассчитали, как ведут себя облака холодного газа при падении на зародыш черной дыры. Симуляция отслеживала движение материи и влияние излучения на окружающую среду. Модель показала образование экстремально плотной оболочки, которая поглощает высокоэнергетические лучи и перерабатывает их в свет других диапазонов.
Затем исследователи преобразовали компьютерные расчеты в спектр, который увидел бы телескоп с учетом красного смещения. Полученный график сравнили с реальными данными наблюдений типичного представителя «красных точек» — объекта RUBIES-EGS 42046. Этот источник света находится на расстоянии, которое соответствует ранней эпохе развития космоса. Его спектр содержал странные особенности: слабый рентгеновский сигнал и линии тяжелых элементов при полном отсутствии признаков рождения новых звезд.
Виртуальная модель «черной дыры прямого коллапса» почти идеально совпала с наблюдениями телескопа, расхождения составили менее 10%. Модель воспроизвела уникальную V-образную форму спектра и наличие линий тяжелых элементов без привлечения гипотез о звездах. Расчеты доказали, что телескоп видел плотную завесу газа, за которой скрывается быстрорастущий гигант.
Как выяснили исследователи, большое количество газа поглощает энергию и переизлучает ее в инфракрасном диапазоне, что и придает объектам характерный красный цвет. Расчеты подтвердили: телескоп видит процесс рождения массивных черных дыр, которые возникают сразу из газа и обходят временные ограничения стандартного сценария.
Открытие разрешило один из парадоксов современной космологии — проблему «тяжелых зародышей». Астрофизики показали, как сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной могли не тратить время на медленную эволюцию, а возникнуть быстро и эффективно. Теперь наука получила наблюдательное доказательство, подкрепленное сильной теоретической моделью, как именно сформировались гравитационные монстры в центрах большинства галактик.