Звёзды из чёрных дыр — Джеймс Уэбб разглядел объекты, которых не должно существовать, на заре времён

Практически на каждом глубоком снимке молодой Вселенной космический телескоп Джеймс Уэбб фиксирует компактные красные источники излучения. Учёные заметили эти объекты вскоре после начала исследовательской работы в 2022 году и обозначили их аббревиатурой LRD (маленькие красные точки). За прошедшие годы загадка лишь углубилась: такие объекты часто встречаются в первый миллиард с половиной лет существования Вселенной после Большого взрыва, однако практически отсутствуют в более позднюю космическую эпоху. Всё большее количество наблюдательных данных указывает на связь этих объектов с молодыми чёрными дырами, интенсивно набирающими массу внутри окружающих их плотных слоёв раскалённого газа.

Термин «маленькие красные точки» прежде всего характеризует их компактный вид на полученных изображениях, нежели их действительные размеры. Реально каждый такой объект занимает область, превышающую размеры Солнца как минимум в 100 тысяч раз. Телескоп Джеймс Уэбб обнаруживает LRD практически во всех достаточно детальных обзорах ранней Вселенной. Научному сообществу предстоит разобраться с несколькими ключевыми вопросами: чем объясняется распространённость этих красных точек в молодом космосе, почему их спектр имеет необычные характеристики и почему подобные объекты практически не наблюдаются рядом с современными галактиками.

Одна из основных теорий связывает LRD с так называемыми «звёздами из чёрных дыр» — чёрными дырами, окружёнными газовыми оболочками звездоподобного вида. Центральная чёрная дыра активно поглощает вещество, а окружающий её плотный ионизованный газ сильно нагревается и излучает огромное количество энергии. На больших расстояниях вся конструкция выглядит как чрезвычайно яркая звезда, хотя источником энергии является не традиционное звёздное ядро, а область рядом с чёрной дырой.

Красноватый оттенок возникает при прохождении излучения из центра системы сквозь толстые газовые слои. Газовая оболочка поглощает и трансформирует часть энергии, в результате чего регистрируемый спектральный состав существенно отличается от спектра открытой активной чёрной дыры. Современные научные модели трактуют LRD как активные ядра галактик, погружённые в исключительно плотную газовую среду. У большинства изученных объектов температура излучающей оболочки находится в диапазоне около 5000 К, хотя встречаются и более холодные экземпляры с температурой порядка 2000 К.

Подобная картина хорошо согласуется с эпохой интенсивного роста первых огромных чёрных дыр. Даже в молодой Вселенной существовали объекты, масса которых составляла миллионы и миллиарды солнечных масс, и раскрытие механизма образования столь массивных чёрных дыр остаётся одной из центральных проблем ранней космологии. Обычная чёрная дыра звёздного происхождения должна чрезвычайно быстро поглощать окружающее вещество, чтобы в течение нескольких сотен миллионов лет вырасти до гигантского размера. Плотная газовая оболочка вокруг тяжёлого зародыша предлагает альтернативный механизм: запас вещества находится непосредственно в окрестностях чёрной дыры и способен в течение долгого времени обеспечивать стремительный рост.

При этом красная точка не существует в изоляции от остальной галактики. Центральный источник расположен внутри молодой звёздной системы, но может светить значительно ярче окружающих звёзд. Прибор регистрирует в основном излучение газовой оболочки, а сама галактика-хозяин теряется на его фоне. Детальное исследование одного из наиболее тщательно изученных объектов показало, что центральный источник может производить почти весь наблюдаемый свет, оставляя галактике лишь небольшую долю излучения.

Данная теория также объясняет исчезновение красных точек в более поздние временные периоды. Чёрная дыра постепенно расходует расположенный рядом с ней газовый запас. Часть материи падает в чёрную дыру, а часть выносится из центра мощными потоками излучения и иными процессами, происходящими рядом с активным ядром. При рассеивании плотной оболочки исчезает и характерный красный спектр. Чёрная дыра сохраняется в центре развивающейся галактики, но уже пройденная ею краткая эволюционная фаза становится трудноразличимой при современных наблюдениях.

Показательным примером стал объект MoM-BH*-1. Телескоп Джеймс Уэбб зафиксировал его на полученных в 2023 году снимках, а подробное исследование опубликовано 13 августа 2026 года в журнале Nature. Излучение от MoM-BH*-1 преодолело расстояние до нас в течение примерно 660 миллионов лет после Большого взрыва. Этот объект входит в число самых ранних известных систем, для которых наблюдения возможно подробно сопоставить с теоретической моделью чёрной дыры внутри плотного газового окружения.

Главное указание дал спектральный анализ MoM-BH*-1. Исследователи зарегистрировали необычайно выраженный бальмеровский скачок. Так называют резкое изменение спектральной интенсивности вблизи границы, связанной с поглощением света атомами водорода. Электрон в атоме водорода может находиться только на конкретных энергетических уровнях. Если фотон обладает нужной энергией, он выбивает электрон с определённого уровня из атома. Поэтому водород поглощает фотоны неодинаково по разные стороны определённой длины волны, и в спектре образуется заметный скачок.

Выраженность бальмеровского скачка зависит от физических параметров вокруг источника. У MoM-BH*-1 этот скачок оказался одним из наиболее чётких среди всех известных объектов независимо от их космического расстояния. Одновременно спектр содержит широкую многосоставную линию Hβ и следы поглощения нескольких бальмеровских линий. Совокупность этих черт указывает на исключительно плотный и хаотично движущийся водородный газ рядом с мощным источником энергии.

Хаотичность здесь означает беспорядочное движение газа с высокими скоростями. Вещество вблизи чёрной дыры не образует спокойный однородный слой. Газ постоянно движется, сталкивается, нагревается и изменяет степень электрической активности. Плотность достигает таких значений, при которых традиционные упрощённые теоретические представления об активных галактических ядрах плохо описывают спектр. Излучение из центральной области многократно взаимодействует с веществом до того, как покинуть систему.

Научная модель MoM-BH*-1 обходится без массивного слоя космической пыли, которым ранее часто пытались объяснить красноватый цвет LRD. Исследователи воспроизвели спектр с использованием исключительно плотной газовой оболочки, практически не содержащей пыль. Это различие существенно для определения массы центральной чёрной дыры. Если при вычислениях неправильно припишут сильное покраснение пыли и внесут избыточную поправку на поглощение света, массу чёрной дыры можно переоценить в несколько раз.

Исследование большой совокупности LRD усилило аргументы в пользу газовой модели. Спектральные характеристики 116 маленьких красных точек, выявленных на расстояниях от 2,3 до 9,3 красного смещения, хорошо соответствуют излучению плотных газовых оболочек. Выраженность бальмеровского скачка коррелирует с параметрами линий водорода Hα и Hβ, а также с линиями кислорода. Такая корреляция указывает на единый источник энергии для значительной части видимого излучения и водородных линий.

Вместе с тем дискуссия о природе маленьких красных точек продолжается. Другие теоретические модели тоже связывают их с растущими чёрными дырами, но предлагают иной сценарий возникновения. В одной из работ 2026 года спектры LRD объяснили, используя чёрные дыры прямого коллапса. В таком механизме массивная чёрная дыра образуется не в результате обычной звёздной эволюции, а при скоротечном коллапсе колоссального газового облака. Плотный поток материала вокруг неё сам создаёт поглощающий слой и преобразует высокоэнергетическое излучение в ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный диапазоны.

Ещё одна возможная схема начинается со сверхмассивных звёзд первобытной Вселенной. Одна такая звезда могла обладать массой в десятки тысяч солнечных масс. Столь огромные объекты могли возникать в необычайно плотных молодых звёздных скоплениях, где столкновения между звёздами происходили гораздо чаще, чем в нынешних окрестностях Солнца. Несколько звёзд последовательно сливались воедино, получившийся объект становился тяжелее и повышал шансы на следующее столкновение.

Необходимые условия могли существовать в молодых зародышах шаровых звёздных скоплений. В настоящее время шаровые скопления состоят из сотен тысяч или миллионов древних звёзд, взаимосвязанных гравитацией. Некоторые черты их организации и химического состава трудно объяснить в упрощённых моделях, где все звёзды образуются независимо и затем спокойно развиваются. Цепь ранних столкновений могла одновременно преобразовать само скопление и создать сверхмассивную звезду в его сердце.

После накопления десятков тысяч солнечных масс сверхмассивная звезда могла рухнуть в тяжёлую чёрную дыру. Первоначальная Вселенная заключала в себе гораздо большее количество холодного газа в сравнении с современными галактиками, поэтому новый объект сразу получал обильное питание. Интенсивное поглощение газа формировало вокруг чёрной дыры плотный раскалённый слой. На определённом этапе развития телескоп Джеймс Уэбб мог бы заметить такую систему в качестве маленькой красной точки.

Проверить весь механизм помогут дополнительные спектральные наблюдения LRD. Телескоп Джеймс Уэбб даёт возможность регистрировать бальмеровский скачок, линии водорода и другие признаки плотного газа у растущего количества древних объектов. Радиотелескопы нового поколения смогут независимо выявлять доказательства поглощения материала и активности центральных чёрных дыр. Совпадение результатов различных методов исследования позволит установить, действительно ли многочисленные красные точки демонстрируют одну из ранних стадий формирования будущих сверхмассивных чёрных дыр.