Гигантская древняя чёрная дыра угрожает перевернуть всё, что мы знаем о рождении Вселенной?

Вселенной не было и миллиарда лет — а она уже весила 50 миллионов Солнц. Как это возможно?

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» увидел в ранней Вселенной крошечные красные точки почти сразу после начала научной работы. На снимках из первых миллиардов лет после Большого взрыва появлялись компактные алые пятна, слишком яркие для привычных объяснений. За несколько лет астрономы пришли к общему подозрению: внутри многих объектов скрываются растущие чёрные дыры. Главный спор теперь не в самом существовании скрытых центров, а в их массе.

В свежей работе группа исследователей описала одну из красных точек, объект Abell2744-QSO1. Его свет шёл к Земле больше 13 миллиардов лет и показывает Вселенную примерно через 700 миллионов лет после Большого взрыва. Для астрономов важен именно возраст объекта: галактики тогда только набирали массу, первые крупные структуры ещё складывались, а сверхмассивные чёрные дыры уже попадали в наблюдения «Уэбба». Объяснить быстрый рост плотного центра до миллионов или миллиардов солнечных масс за короткое космическое время сложно.

Компактные красные объекты в англоязычных работах называют LRD, от Little Red Dots. На изображениях они напоминают далёкие красные звёзды, но спектры и яркость указывают на другую природу. Многие исследователи считают, что LRD скрывают активные ядра: чёрные дыры поглощают газ, разогревают окружающее вещество и из-за плотной оболочки выглядят как маленькие алые пятна.

Новая оценка Abell2744-QSO1 поддерживает тяжёлую версию. Авторы работы получили около 50 миллионов масс Солнца. Для молодой Вселенной это очень крупный объект. Если измерение подтвердится, чёрная дыра могла появиться раньше заметной галактики вокруг неё или расти быстрее окружающего звёздного вещества. Тогда порядок ранней эволюции придётся пересмотреть: не галактика сначала создаёт условия для центрального ядра, а массивный центр сам становится зародышем будущей структуры.

Спор вокруг LRD начался с первых попыток их взвесить. Ранние работы давали миллионы солнечных масс и усиливали гипотезу о быстрых чёрных дырах в молодой Вселенной. Затем последовала критика. Астрономы заметили, что прежние расчёты использовали метод для более близких и зрелых сверхмассивных объектов. Массу выводили косвенно: по ширине спектральных линий и яркости окружающего газа. Такой расчёт предполагает среду, похожую на современные галактические ядра, а у LRD условия могут отличаться.

Маленькие красные точки, по-видимому, закрыты плотными газовыми облаками. Оболочка может рассеивать и искажать свет, из-за чего чёрная дыра кажется тяжелее. Часть исследователей предложила альтернативу: внутри LRD находится не зрелый сверхмассивный объект, а молодой центр, окружённый раздутым сияющим коконом из ионизированного газа. Снаружи подобная система напоминала бы красный гигант, но энергию давал бы не термоядерный синтез в звёздном ядре, а вещество, падающее на растущую чёрную дыру.

Любое объяснение создаёт проблему для астрономов. Тяжёлая чёрная дыра требует понять, как объект успел набрать десятки миллионов солнечных масс через 700 миллионов лет после Большого взрыва. Более лёгкий вариант снимает часть вопроса о темпе роста, но вводит почти новый тип небесного тела: газовый кокон со спрятанным компактным центром вместо обычной звезды. Поэтому прямое измерение массы стало главной задачей. Без него трудно понять, видит ли «Уэбб» зародыши сверхмассивных чёрных дыр или необычные оболочки с гораздо меньшими ядрами внутри.

Авторы использовали спектроастрометрию. Метод соединяет два приёма. Спектроскопия раскладывает излучение на линии и показывает, какие атомы светятся. Астрометрия добавляет точное положение источника. Вместе они позволяют понять, какая часть газа движется к Земле, какая уходит от неё и где находится каждый участок потока. В случае Abell2744-QSO1 «Уэбб» изучил свет возбуждённых атомов водорода вокруг центрального объекта.

У линии водорода есть определённая длина волны, но движение газа слегка сдвигает цвет. Поток, направленный к Земле, уходит к более коротким, синим длинам волн. Удаляющееся вещество смещает сигнал к более длинным, красным значениям. Похожий принцип работает в эффекте Доплера: звук сирены меняется, когда машина приближается к слушателю, а затем уезжает.

По микроскопическим сдвигам исследователи построили карту скорости газа и отдельно оценили расстояние разных участков от центра. Когда известны скорость и радиус орбиты, массу скрытого объекта можно вывести из законов движения. Газ в Abell2744-QSO1 показывает кеплеровское вращение: ближе к центру вещество движется быстрее, дальше от него медленнее, как планеты вокруг Солнца. Подобная картина плохо согласуется со скоплением звёзд и лучше объясняется одной компактной массой.

Расчёт дал около 50 миллионов солнечных масс. Если результат верен, гипотеза газовой оболочки с небольшой чёрной дырой получает сильный удар. Центральный объект может быть тяжелее всего видимого вещества вокруг. В некоторых оценках его масса превышает массу окружающего галактического материала как минимум в два раза. Для близких галактик соотношение обычно обратное: сверхмассивная чёрная дыра занимает лишь малую долю общей массы системы.

Abell2744-QSO1 мог возникнуть несколькими путями. Один вариант связан с прямым коллапсом газового облака вскоре после Большого взрыва. В этой модели газ не проходит длинную цепочку через рождение звёзд, гибель светил, появление небольших чёрных дыр и серии слияний, а сразу создаёт крупный зародыш. Другой вариант ещё более спорный: первичная чёрная дыра, родившаяся в самые первые мгновения космической истории. Наблюдения пока не доказывают ни один путь окончательно, но тяжёлая масса Abell2744-QSO1 плохо укладывается в обычную схему медленного роста из звёздных остатков.

Скепсис сохраняется из-за сложности измерения. Abell2744-QSO1 находится настолько далеко, что спектроастрометрия работает на пределе данных. Помогает гравитационное линзирование: скопление галактик Abell 2744, известное как скопление Пандоры, усиливает свет далёкой системы и создаёт три её изображения. Природная линза работает как огромный космический телескоп, без которого маленькую красную точку было бы гораздо труднее изучать. Даже с усилением сигнал остаётся слабым, поэтому независимое повторение измерения станет важной проверкой.

«Уэбб» уже дал спектры и изображения, недоступные предыдущим телескопам, но для окончательного ответа нужна более крупная статистика. Европейский Чрезвычайно большой телескоп в Чили должен подключиться к похожим задачам после запуска в начале 2030-х годов. Если новые инструменты подтвердят результат и найдут похожие объекты, астрономам придётся пересмотреть раннюю историю сверхмассивных чёрных дыр. Пока вывод осторожнее: в молодой Вселенной найден кандидат на чёрную дыру, чей центр мог оказаться тяжелее собственной галактики.

Источник: https://www.securitylab.ru/news/573136.php

В.К. Все эти споры напоминают споры о курице и яйце. А чего тут спорить? Уберите "большой взрыв" и всё встанет на свои места.

Вот ещё один спор. Но радует то, что по мере наблюдения и осмысления реальности, уже началась появляться альтернативная крамола в некоторых мозгах.

Физик допустил существование черных дыр без сингулярности.

Черные дыры, возможно, не такие «сломанные» объекты, как считалось полвека. Автор нового исследования показал, что даже в рамках Общей теории относительности чёрная дыра может избежать сингулярности — точки, где законы физики перестают работать. Если он прав, новая теория гравитации для «спасения» физики внутри космических «монстров» не понадобится.

Классическое представление о черных дырах (ЧД) появилось более века назад благодаря решению уравнений Эйнштейна немецким астрономом и физиком Карлом Шварцшильдом. Согласно его модели, после гравитационного коллапса может образоваться область с центральной сингулярностью и горизонтом событий. Последний действует как граница: все, что ее пересекает, уже не может вернуться обратно или выпустить информацию наружу. Это делает внутреннее устройство черных дыр недоступным для наблюдений.

У такой картины, однако, есть проблема: сингулярность означает, что математическое описание пространства-времени «ломается». Поскольку физики не могут проследить, что именно происходит с материей после попадания внутрь горизонта событий, некоторые учёные считают, что реалистичная теория гравитации должна каким-то образом устранять сингулярности, заменяя их на конечные структуры, например, сверхплотное ядро или переход в другую область пространства-времени.

За последние годы появилось множество альтернативных моделей. Одни из них — так называемые регулярные черные дыры — сохраняют горизонт событий, но избавляются от сингулярности благодаря особой внутренней геометрии. Другой класс объектов — имитаторы черных дыр. Они могут не иметь ни сингулярности, ни горизонта событий вообще. К ним относят, например, гипотетические гравастары и некоторые типы проходимых червоточин. Снаружи они могут выглядеть почти как обычные черные дыры, однако внутренняя структура совершенно иная.

На этом фоне новая работа физика Франческо Ди Филиппо (Francesco Di Filippo) из Института теоретической физики в Германии выглядит особенно интересно. Он изучил сценарий формирования заряженной чёрной дыры, которая постепенно испаряется благодаря излучению Хокинга. Этот квантовый эффект британский физик Стивен Хокинг предсказал еще в 1970-х годах. Согласно нему, ЧД могут медленно терять массу, испуская частицы.

Поясним: в классической картине ОТО коллапс массивной звезды приводит к образованию сингулярности. Ди Филиппо, однако, показал, что изменить финал может сочетание двух эффектов. Первый — электромагнитное отталкивание внутри заряженной ЧД. Второй — само излучение Хокинга, которое нарушает так называемые энергетические условия, что лежат в основе теорем о неизбежности сингулярности. В результате коллапс может остановиться раньше, чем вещество сожмётся в бесконечно плотную точку.

Более того, в некоторых сценариях исчезает не только сингулярность, но и горизонт событий. По мере испарения внутренний и внешний горизонты могут сближаться и в итоге полностью исчезнуть. Тогда вещество, оказавшееся внутри, теоретически получает возможность снова покинуть область сильной гравитации, а пространство-время остаётся предсказуемым.

Фактически новое исследование объединяет сразу два направления современной теоретической физики. С одной стороны, идеи регулярных черных дыр, в которых нет сингулярности. С другой — модели объектов, способных обходиться даже без горизонта событий. При этом Ди Филиппо не пришлось вводить экзотическую материю или переписывать уравнения Эйнштейна. Все механизмы уже известны: гравитация, электромагнитное отталкивание и квантовое испарение.

Правда, эти модели пока что остаются теоретическими. Современные наблюдения — включая «фотографии» сверхмассивных черных дыр и регистрацию гравитационных волн — еще не позволяют надёжно отличить классическую ЧД от ее альтернативных версий. Учёные тем не менее уже предложили способы проверки. Можно, например, искать необычные «эхосигналы» в гравитационных волнах после слияния компактных объектов или анализировать нестандартные всплески излучения вещества вблизи горизонта событий.

Автор научной работы, опубликованной в журнале Physical Review Letters, также отметил, что речь не идёт о готовой замене классической теории ЧД. Подобные исследования, однако, становятся важным шагом к пониманию того, как ОТО и квантовые эффекты могут совместно описывать экстремальные объекты. Если эти идеи получат подтверждение, черные дыры перестанут быть областями, где ломается физика, а превратятся в еще один, пусть и экстремальный, пример того, как Вселенная подчиняется единым законам.

По материалам: https://naked-science.ru/artic...

В.К. Существует и горизонт событий, определяемый сферой Шварцшильда, и особое состояние вещества за горизонтом событий.

Посудите сами, Хоукинг предсказал испарение чёрных дыр. Но, что значит это испарение, если пределы сферы, определяемой радиусом Шварцшильда, не может ни что покинуть? Теоретики определили это как уменьшение массы чёрной дыры. Но так ли это?

Что характеризует любую частицу? Масса и её заряды. Масса - это неотъемлемое свойство как выражение принципа существования. А вот с зарядами не всё так просто (см., например, мой комментарий выше). Поэтому, когда частица попадает в пространство, ограниченное горизонтом событий, определяемым сферой Шварцшильда, она не теряет массу, но сбрасывает заряды, что мы и наблюдаем как свечение чёрных дыр и их джеты.

А что же с веществом, которое попадает в чёрную дыру? А оно там находится в неопределённом зарядовом состоянии. При сближении одной чёрной дыры с другой, неопределённость эта снимается за счёт приливных взаимодействий, что нарушает геометрию сферы Шварцшильда и, в результате взрыва, происходит рождение структур, как-раз и формирующих галактики.