Первенцы Вселенной: появились ли черные дыры раньше атомов

Астрономы обнаружили черную дыру массой в десятки миллионов солнц, уже существовавшую, когда возраст Вселенной составлял всего 5% от нынешнего. Подобные черные дыры обычно гнездятся в центрах галактик, и, как считается, образуются благодаря им. Но вокруг только что открытого объекта нет галактики — похоже, она еще не успела сформироваться. Это значит, что как минимум в некоторых случаях центральные черные дыры рождаются раньше самих галактик. Вопрос в том — как.

Монстры в центрах галактик

В центре Млечного Пути гнездится черная дыра массой в 4 млн солнц. Это отнюдь не рекорд: центральные черные дыры некоторых галактик достигают массы и в миллиарды солнечных.
Откуда мы знаем об их существовании? Сами черные дыры не испускают никаких излучений. Однако своей гравитацией они стягивают на себя окружающий газ. Часто вокруг черной дыры образуется целый диск вращающегося вокруг нее вещества. Каждый слой диска движется с собственной скоростью: чем ближе к черной дыре, тем быстрее. У самой границы черной дыры скорость вращения сравнима со световой.
Соседние слои диска вращаются с разной скоростью, поэтому в месте их соприкосновения возникает трение. Оно разогревает вещество до сотен миллионов градусов — в десятки раз больше, чем в центре Солнца. Раскаленная материя испускает разнообразные излучения, от рентгеновского до инфракрасного, а иногда и радиоволн. Возникает парадокс: черные дыры, которые не должны ничего излучать, превращаются в самые мощные «светильники» во Вселенной. Они выжимают энергию из материи в десятки раз эффективнее, чем термоядерные топки звезд. 
Главное, чего мы не знаем о сверхмассивных черных дырах — это откуда они взялись. Есть две основные версии. Первый сценарий гласит, что облака межзвездного газа в центре галактики сжались под действием собственной гравитации и превратились в черную дыру. Второй говорит, что для образования сверхмассивных черных дыр нужны черные дыры поменьше. Они рождаются, когда догорают и взрываются массивные звезды. Каждая такая черная дыра имеет массу всего лишь в несколько десятков солнечных. Но, когда их много, они могут слиться в нечто более весомое. И уже на этот тяготеющий «зародыш» падает межзвездный газ.
Оба сценария страдают от одного недостатка: они слишком медленные. Последние наблюдения показывают, что сверхмассивные черные дыры уже существовали спустя сотни миллионов лет после Большого взрыва. Ни первый, ни второй сценарий не позволяет им образоваться так быстро — во всяком случае, без существенных натяжек.
Недавнее открытие делает этот вопрос еще более загадочным. Вокруг открытой астрономами сверхмассивной черной дыры, по-видимому, вообще нет сколько-нибудь сформировавшейся галактики.

Космос в крапинку

В открытии помог «Джеймс Уэбб» — самый большой и чувствительный орбитальный телескоп в истории. Благодаря огромной чувствительности этого инструмента ученые проникают в глубины Вселенной дальше, чем когда-либо прежде. Одним из сюрпризов, преподнесенных «Уэббом», стали маленькие красные точки — загадочные объекты, лучи которых добирались до Земли более 13 млрд лет.
Одним из первых открытых объектов этого класса стал QSO1. Этому небесному телу повезло: сама природа позаботилась о том, чтобы «Уэбб» его увидел. Между QSO1 и Землей находится галактика, гравитация которой искривляет и фокусирует лучи QSO1 подобно линзе (это явление объясняется общей теорией относительности Эйнштейна). В результате астрономы наблюдают даже не одно, а три изображения QSO1. Сейчас мы видим этот объект таким, каким он был примерно через 700 млн лет после Большого взрыва, произошедшего 13,8 млрд лет назад.
QSO1 — видимо, самая изученная из маленьких красных точек. Астрономам уже известно, что источник ее излучения —  сверхмассивная черная дыра, точнее, падающая на нее материя. Авторы свежего исследования заново оценили ее массу: порядка 50 млн солнц. Кроме того, они проанализировали состав газа вокруг этой черной дыры. И оказалось, что он почти первозданный.

Котел творения

Поясним, о чем речь. Вселенная в целом — невероятно скучное место с точки зрения химического состава. Около 91% атомных ядер приходится на простейший химический элемент — водород. Еще почти 9% — на второй по простоте, гелий, и менее 1% — на остальные ячейки таблицы Менделеева. В ней сегодня 118 элементов, из которых чуть больше 90 встречаются в природе, а остальные получены искусственно. Сразу после Большого взрыва картина была еще более удручающей. Кроме водорода и гелия, присутствовали только литий, бериллий и бор, и то в ничтожных количествах. Ни планетам, ни живым существам просто не из чего было образоваться.
Сотни миллионов лет спустя зажглись природные термоядерные реакторы — звезды. В звездах образовался кислород, которым мы дышим, кальций наших костей, и вообще большая часть химических элементов. Остаток таблицы Менделеева был заполнен благодаря взрывам сверхновых, столкновениям нейтронных звезд и другим экстремальным процессам.
Состав космического газа — это показатель того, сколько раз он уже побывал в термоядерных топках звезд. На пустынных межгалактических просторах состав вещества по сей день остается таким, как в первые минуты после Большого взрыва. В составе Солнца уже около 2% массы приходится на элементы сложнее гелия, поскольку солнечное вещество несколько раз прошло переработку в звездах.
Газ вокруг QSO1 практически не имеет следов такой переработки. Это значит, что черная дыра уже вовсю сформировалась и пожирает окружающее вещество, а вот звезд вокруг нее еще нет или они только-только появились. То есть в данном случае сверхмассивная черная дыра появилась раньше галактики.
Авторы нового исследования детально проверили самые популярные сценарии образования черных дыр и показали, что массивная черная дыра в центре QSO1, окруженная почти первозданным газом, в них не вписывается. Правда, они оговариваются: когда писались эти сценарии, о существовании маленьких красных точек никто не знал. Модели подстраивались под галактики и черные дыры, расположенные ближе к Земле и с менее экзотическими свойствами. Возможно, в построениях астрономов удастся что-то подкрутить, чтобы объяснить существование QSO1.

Первые дети космоса

Более перспективный сценарий связан с первичными черными дырами. Об этих объектах говорят с 1960-х. Считается, что эти черные дыры образовались в первую секунду после Большого взрыва, за сотни тысячелетий до атомов и за сотни миллионов лет до звезд. Дело в том, что материя в только что возникшей Вселенной не была совершенно однородной. В целом она была распределена по пространству гораздо равномернее, чем сейчас, когда сравнительно плотные галактики контрастируют с пустынными межгалактическими пространствами. Однако встречались и сгустки, в том числе достаточно плотные, чтобы гравитация сразу же стянула их в черную дыру. Теоретики практически уверены, что первичные черные дыры реальны: без них не получается построить разумную теорию возникновения и эволюции Вселенной. В той же мере понятно, что мелких черных дыр образовалось гораздо больше, чем крупных: в таких делах всегда выполняется принцип, что тараканов больше, чем слонов. Но сколько именно черных дыр каждой конкретной массы тогда образовалось? Вот тут специалисты разводят руками: теория допускает самые разные варианты. Ограничения есть, но довольно слабые.
Наблюдатели тоже не могут помочь. До наших дней должны были сохраниться первичные черные дыры массой от крупного астероида и выше. Но обнаружить черную дыру массой хотя бы и со звезду очень сложно, если только на нее не падает плотный поток вещества. И даже обнаружив черную дыру, трудно судить о ее возрасте: в конце концов, им не выдают паспорта. Возможно, некоторые из известных наблюдателям черных дыр звездной массы — первичные, но мы об этом не знаем.
Первичные черные дыры интересны тем, что позволяют переписать сценарий рождения своих сверхмассивных «коллег». Именно они могли стать зародышами будущих монстров. Сталкиваясь и сливаясь, первичные черные дыры образовывали тяготеющий центр, который стягивал на себя окружающее вещество. Причем этот процесс мог начаться сразу же после Большого взрыва, задолго до образования галактик и звезд. Возможно, черная дыра в центре QSO1 образовалась именно так. Правда, пока это лишь заманчивая гипотеза. Чтобы судить уверенно, нужно больше наблюдательных данных и теоретических расчетов.