JWST откри първата звезда с черна дупка в ядрото

Международен екип обяви на 12 август в Nature откриването на обект, който не се вписва в нито една позната категория: черна дупка, увита в толкова плътен газов пашкул, че цялата система свети като гигантска звезда. Обектът носи името MoM-BH*-1, светлината му е пътувала около 13 милиарда години и е тръгнала само 660 милиона години след Големия взрив. Авторите го определят като първата „звезда с черна дупка“ (black hole star) от космическата зора.

Изследването се води от Рохан Найду от Института по астрономия на Университета на Хаваите, а съръководител е Йорит Матее от Института по наука и технологии Австрия (ISTA). Данните идват от програмата на James Webb Space Telescope с показателното име „Mirage or Miracle“ (GO-5224) — наблюдения, насочени точно към странни кандидати, които се оказват или мираж, или чудо.

Спектър, който никоя звезда не може да произведе

Ключовото доказателство е т.нар. балмеров скок — рязкото стъпало в спектъра при 3646 ангстрьома, което издава каква част от водорода по пътя на светлината е във възбудено състояние. При обикновени звездни популации теоретичният таван е около 3, а дори екстремна съвкупност само от звезди клас A не стига над ~5.

При MoM-BH*-1 скокът е 7,7 — с над 50% над всичко, което звезди могат да дадат.

Към това се добавят широки многовърхови емисионни линии на водорода, едновременна абсорбция в няколко балмерови прехода и слабост в ултравиолетовото. Досегашните модели биха приписали последното на прах. Анализът показва друго: причината е газ, при това толкова плътен, че е Compton-thick — поглъща огромна част от късовълновото лъчение, преди то да излезе навън.

„Спектърът, който засякохме, е най-доброто ни доказателство за пелена от газ, която захранва рано формираща се черна дупка“, обяснява Найду в съобщението на ISTA.

Какво всъщност представлява обектът

Названието „звезда с черна дупка в ядрото“ звучи по-драматично, отколкото е физиката. Тук няма термоядрен синтез в центъра: енергията идва от вещество, което пада върху черната дупка. Обвивката просто е достатъчно плътна, за да преработи твърдото рентгеново и ултравиолетово лъчение в по-меко и по-червено — и отвън всичко изглежда като звездна фотосфера.

По оценка на екипа централната черна дупка е около 100 000 слънчеви маси, а газовата обвивка е с размери от порядъка на Слънчевата система — според ISTA над 100 000 пъти по-голяма от Слънцето, при светимост, надхвърляща тази на познатите звезди с порядъци. Наблюденията сочат и че системата вероятно ще се слее със съседна, по-ярка галактика след около 100 милиона години.

Снимка: Rohan Naidu (University of Hawai’i)

Хипотезата за квазизвездите

Точно такава конфигурация — черна дупка вътре в огромна газова обвивка — теоретиците предложиха преди близо две десетилетия под името „квазизвезда“. Идеята решаваше неудобен проблем: как за по-малко от милиард години се появяват черни дупки с милиарди слънчеви маси. Ако вместо от звезда-предшественик черната дупка тръгва направо от колапс на газов облак и после расте в пашкул, който я „храни“ със свръх-едингтонов темп, сметките се получават.

MoM-BH*-1 е първият обект, при който тази картина има пряка спектрална подкрепа, а не само модел. Важно уточнение: наблюдаваният black hole star не е буквално същото като класическата квазизвезда от учебниците — обвивката там се описва като хидростатична свръхмасивна звезда. Прилика има, доказано тъждество няма.

Малките червени точки най-сетне с обяснение?

От 2022 г. насам JWST вижда навсякъде в ранната Вселена стотици „малки червени точки“ (little red dots) — компактни, необяснимо червени източници. Част от тях изглеждаха като галактики с невъзможно стари звездни населения, друга част — като квазари без рентгеново лъчение.

Същият механизъм обяснява и двете. Успоредно с MoM-BH*-1 екипът описа сходния обект „The Cliff“ при z ≈ 3,5, а отделна статия в Astrophysical Journal Letters добавя звезда с черна дупка в много по-късна епоха, при z = 1,7. „Ако са вградени в подобни галактики, звезди с черни дупки като MoM-BH*-1 спокойно могат да служат за централни двигатели на бебета-квазари“, коментира Матее.

Какво остава да се докаже

Един спектър, колкото и екстремен да е, не затваря темата. Моделирането на такива плътни обвивки е ново и параметрите му не са добре ограничени, а масата на черната дупка се извежда косвено. Ще трябват още обекти с еднакво добри спектри, за да се провери дали „звездите с черни дупки“ са отделен клас, или екзотична фаза, през която минават много от ранните черни дупки.

Дотогава MoM-BH*-1 е най-силният аргумент, че ранната Вселена е произвеждала обекти, каквито днешната не прави. Ако търсите повече от новия поглед към ранния космос, вижте и най-голямата 2D карта на Вселената, както и какво се случва, когато скитаща черна дупка разкъса звезда.