Телескопът „Джеймс Уеб“ откри възможни места за раждането на черни дупки

Космическият телескоп „Джеймс Уеб“ (JWST) може да е помогнал на астрономите да разкрият къде са възникнали някои от първите черни дупки със средна маса, които впоследствие са могли да се превърнат в зародиши на свръхмасивните черни дупки в ранната Вселена. Ново изследване насочва вниманието към изключително плътни млади звездни купове, открити в две далечни галактики – Cosmic Gems и Firefly Sparkle.

Свръхмасивните черни дупки, които днес се намират в центровете на много галактики, могат да достигат маса от милиарди слънца. Според една от основните хипотези за тяхното развитие те са резултат от продължителен процес на натрупване на маса и сливане на по-малки черни дупки. В началото на тази еволюция стоят т.нар. зародиши – черни дупки със звездна маса, образувани при колапса на масивни звезди или при сливането на две неутронни звезди.

Междинно място между черните дупки със звездна маса и свръхмасивните обекти заемат черните дупки със средна маса (IMBH), чиято маса варира приблизително от 100 до 100 000 слънчеви маси. Доказателствата за съществуването им все още са ограничени, но се натрупват. Изследване от 2024 г. например посочва кълбовидния звезден куп Омега Кентавър като възможно място на такава черна дупка с маса около 8200 слънца. Друг аргумент е откриването на гравитационни вълни от сливането на две черни дупки с маса 85 и 66 слънца, при което се е образувал обект с приблизително 142 слънчеви маси.

Новото проучване, ръководено от Виола Боки от Римския университет „Сапиенца“ и публикувано в научното списание Astronomy & Astrophysics, предлага възможно обяснение за произхода на част от тези междинни черни дупки. Изследователите анализират плътни звездни системи в ранната Вселена, наблюдавани от JWST, и оценяват потенциала им да образуват черни дупки със средна маса чрез сблъсъци между звезди.

Според резултатите, публикувани от екипа, изследваните звездни системи имат маса между 100 000 и 10 милиона слънчеви маси и радиус от около 0,4 до 15 парсека. Тези характеристики създават условия за чести звездни сблъсъци, при които отделни звезди могат да се слеят и постепенно да образуват масивен обект, способен да колабира в черна дупка. Изчисленията на учените показват, че подобен механизъм може да доведе до образуването на черни дупки с маса от около 100 до 4000 слънчеви маси, при ефективност на формиране от няколко процента.

Двете изследвани галактики предоставят различни условия за този процес. Cosmic Gems е гравитационно лещирана галактика, чиято светлина е наблюдавана от JWST от период, когато Вселената е била на около 460 милиона години. Първоначално открита с телескопа „Хъбъл“ в рамките на програмата RELICS, тя е изследвана повторно от „Джеймс Уеб“ през 2024 г. Тогава са идентифицирани пет млади масивни звездни купа – едни от най-древните подобни структури, наблюдавани до този момент.

Вторият обект, Firefly Sparkle, също е гравитационно лещирана галактика от ранната Вселена, наблюдавана около 600 милиона години след Големия взрив. В нея телескопът е открил десет млади масивни звездни купа. Както посочва Phys.org в публикацията си за изследването, именно компактността и масата на тези структури са определящи за потенциала им да произведат черни дупки със средна маса. При куповете в Cosmic Gems изчислените стойности са най-високи – между 1600 и 2700 слънчеви маси. За сравнение, обектите във Firefly Sparkle биха могли да формират черни дупки с маса между 180 и 810 слънчеви маси.

Съществен фактор се оказва и ниското съдържание на тежки елементи, известно като металичност. При звездните купове в Cosmic Gems то е под 2% от слънчевата металичност. Това ограничава загубата на маса чрез звездните ветрове и позволява на образуващите се масивни звезди да запазят по-голяма част от веществото си. В комбинация с изключителната компактност на куповете тези условия благоприятстват бързото нарастване на масата при последователни звездни сблъсъци.

Изследователите обаче подчертават, че резултатите не представляват пряко наблюдение на черни дупки в тези звездни купове. Те са получени чрез моделиране на процесите на неконтролируеми звездни сблъсъци и загуба на маса от звездни ветрове, като изчисленията са проверени чрез директни числени симулации на компактни звездни купове. Някои характеристики на системите, включително вътрешната им структура и въртенето им, все още не са достатъчно добре известни и биха могли да променят крайните резултати.

Въпреки тези ограничения авторите смятат, че плътните и бедни на тежки елементи звездни купове са реалистични места за формиране на т.нар. тежки зародиши на черни дупки. Тяхната маса може да бъде значително по-голяма от тази на обектите, образувани при обичайния колапс на първите масивни звезди във Вселената. Подобни зародиши биха могли да ускорят развитието на свръхмасивните черни дупки, наблюдавани в центровете на галактиките още в ранните космически епохи.

Изследването предлага и възможно обяснение за произхода на т.нар. малки червени точки – компактни червени обекти, открити от JWST в ранната Вселена, чието излъчване често се свързва с активността на свръхмасивни черни дупки. Според учените плътните млади звездни купове може да са осигурили масивните зародиши, от които впоследствие са се развили тези обекти. Както заключават авторите в публикацията си в Astronomy & Astrophysics, подобни системи представляват потенциални „фабрики“ за тежки зародиши на черни дупки.