Черна дупка, която не се е образувала от звезден колапс 

Черната дупка в галактиката Little Red Dot (LRD) Abell 2744-QSO1, наблюдавана от JWST в ранната Вселена (около 700 милиона години след Големия взрив), е свръхмасивна черна дупка, която е нараснала до сегашния си размер без много по-голяма галактика, която да я захранва. Според стандартния модел на звездната еволюция, черните дупки се образуват от смъртта на по-големи звезди в края на жизнения им цикъл, когато горивото им свърши в резултат на колапс на звездното ядро. Тези черни дупки нарастват по размер, хранейки се с материя от много по-голяма галактика. Черната дупка на Little Red Dot QSO1 не се вписва в тази рамка и е нова. Тя се образува директно, без стандартна звездна еволюция, т.е. не е остатък от колапс на ядрото на голяма умираща звезда. Вместо това, тя е или черна дупка с директен колапс (DCBH), или първична черна дупка (PBH). Черните дупки, които не са се образували от звезден колапс, бяха теоретизирани по-рано. Това е доказателство за черна дупка, която се образува чрез процес извън стандартната звездна еволюция.

Как се образува черна дупка? Според стандартния модел на звездната еволюция, черните дупки са крайни продукти на еволюцията на масивни звезди. Звездите претърпяват промени с течение на времето. 

Животът на една звезда започва в големи междузвездни облаци от газ и прах в галактиката със струпване на газове поради ниска температура до джобове с висока плътност. Бучките постепенно събират все повече и повече материя и растат. В един момент бучките се свиват поради увеличената гравитационна сила навътре. Триенето по време на свиването нагрява материята и се ражда бебе звезда. Това е етап на протозвезда в жизнения цикъл на звездата. Гравитационният свиване продължава, което води до постепенно повишаване на температурата и налягането в ядрото на протозвездата. С течение на времето температурата и налягането стават достатъчно високи, за да позволят на водородните ядра да се слеят. Ядреният синтез освобождава огромно количество енергия, което нагрява материята достатъчно, за да предотврати по-нататъшен свиване под въздействието на гравитацията. Това е „етапът на главната последователност“ на звездата. Водородът е основното гориво. 

Когато горивото свърши, ядреният синтез спира и няма енергия за нагряване на материалите, за да се балансира вътрешната сила на гравитацията, а ядрото се свива, оставяйки след себе си компактен остатък. Това е краят на звездата. Мъртвата звезда или компактният остатък е или бяло джудже, или неутронна звезда, или черна дупка, в зависимост от масата на оригиналната звезда. Звезди, по-тежки от 20 слънчеви маси (>20 M⦿), се превръщат в черни дупки в края на звездната еволюция, когато горивото свърши. Това е стандартният начин – първо се образуват звезди и галактики, а черните дупки се образуват по-късно, като краен етап от звездната еволюция. Масата на такива черни дупки е много по-малка от общата маса на галактиката.

Незвездно образуване на черни дупки

Могат ли черните дупки да се образуват по начини, различни от колапс на звездното ядро? Теоретизирани са два „незвездни“ канала за образуване. 

В ранната Вселена, голям облак от първичен газ може да се срине директно в черна дупка, заобикаляйки нормалното звездообразуване и еволюция, което води до това, което наричаме черни дупки с директен колапс (DCBHs). Другите хипотетични черни дупки, образувани директно без участието на стандартна звездна еволюция, са първични черни дупки (PBHs). PBHs са останки от Големия взрив, образувани при екстремните флуктуации на плътността на много ранната Вселена малко след Големия взрив. 

Черните дупки, образувани през „незвездни“ канали, са само теоретизирани, като такива са хипотетични. Но нещата започнаха да се променят бързо с изстрелването на JWST през декември 2021 г., инфрачервена космическа обсерватория, посветена на изучаването на ранната Вселена.

Космическият телескоп Джеймс Уеб (JWST) революционизира изучаването на ранната Вселена 

JWST е направил няколко наблюдения, които поставят под въпрос нашето разбиране за ранната Вселена. Наблюдение на галактиката JADES-GS-z14-0 при червено отместване от 14.32, което я прави най-далечната известна галактика. Тази галактика се е образувала в ранната Вселена около 290 милиона години след Големия взрив, но въпреки това е голяма, масивна и силно светеща галактика. Установено е също, че е богата на метали, което означава, че поколения масивни звезди вече биха завършили своя жизнен път от раждането до експлозията на свръхнова около 290 милиона години в ранната Вселена. По подобен начин, галактиката GS-NDG-9422 от ранната Вселена, датираща около милиард години след Големия взрив, се оказва химически сложна, без звезди от Популация III. Според настоящите разбирания, първото поколение звезди от ранната Вселена би трябвало да са звезди от Популация III с нулева металност. (В астрономията всеки елемент, по-тежък от хелий, се счита за метал. Химическите неметали като кислород, азот и др. са метали в космологичен контекст. Звездите се обогатяват с метал във всяко поколение след събитие на свръхнова). 

JWST е наблюдавал и свръхмасивни черни дупки в ранната Вселена. Една такава черна дупка е датирала от около 700 милиона години след Големия взрив и е с измервания около няколко милиона пъти масата на Слънцето. Всичко започна с наблюдението на малки червени точки (LRD) от JWST, които бяха забелязани в първото публикуване на данни на JWST през 2022 г. Тези червено оцветени компактни обекти имаха V-образни спектри и показваха емисия от високоскоростен водороден газ. 

QSO1 с Малката червена точка (или Abell2744-QSO1) 

QSO1 (или Abell2744-QSO1) е прототип на малка червена точка с диаметър около 1,300 светлинни години и разстояние повече от 13 милиарда светлинни години. Тя е съществувала в ранната вселена само 700 милиона години след Големия взрив. Тя е гравитационно лещована от галактическия куп Абел 2744 (купът на Пандора), следователно е едновременно увеличена и тройно изобразена, появявайки се на три различни места в небето. В резултат на това QSO1 е по-лесна за изучаване от повечето други малки червени точки. 

Детайлното проучване на тази малка червена точка (LRD) доведе изследователите до заключението, че някои свръхмасивни черни дупки са били огромни от самото начало. Те са се образували без фаза на звезден колапс и без значително по-масивна галактика-домакин, която да ги захранва. 

QSO е съкращение от Квазизвезден обект (обикновено наричан квазар). 

Първоначалните проучвания разкриха, че QSO1 е нещо повече от облак от светещ водород и хелиев газ, обикалящ около свръхмасивна черна дупка с маса около 40 милиона пъти по-голяма от масата на Слънцето. Съществуваше обаче несигурност дали наистина е толкова масивна. Това се дължеше на факта, че досега всички измервания на масата на черните дупки в ранната вселена бяха косвени, базирани на предположения от това, което знаем за тях в локалната вселена. Не знаехме дали тези предположения наистина се отнасят за ранната вселена. 

Изследователите осъзнали, че ако черната дупка на QSO1 наистина е толкова масивна, те би трябвало да могат да използват интегралната полева единица (IFU) на JWST, за да проследят ефектите на нейната гравитация върху газа, който се вихри около нея, като същевременно картографират разпределението на различни елементи в газа. Следователно, те използвали наблюденията на IFU и картографирали движенията на водородния газ около черната дупка. 

Графиката на скоростта на въртене като функция на разстоянието от центъра разкри, че газът има кеплерово движение, което означава, че по-голямата част от масата на малката червена точка QSO1 е концентрирана в черната дупка в центъра. Ако масата беше разпределена, газът нямаше да обикаля около централна точка по перфектния кеплеров начин, по същия начин, както планетите обикалят около Слънцето в Слънчевата система. 

Като се има предвид, че кеплеровото движение се управлява от законите на гравитацията, измерванията на скоростта на газа позволиха на изследователите да изчислят директно масата на черната дупка. Това беше първото директно измерване на масата на черна дупка в ранната Вселена. Установено беше, че черната дупка на QSO1 е с маса около 50 милиона слънчеви маси. Също така, тази черна дупка е две трети от общата маса на QSO1. Това е изключително рядко срещано, тъй като свръхмасивните черни дупки в близките галактики обикновено съставляват само малка част от общата маса на галактиката гостоприемник.

Освен това, анализът на картите на състава на IFU показа, че газът в QSO1 е почти изцяло водород и хелий. Галактика, богата на звезди и звездни отломки, би трябвало да има по-тежки елементи като кислород, но QSO1 има изключително ниска металност, по-малко от 0.5% от тази на Слънцето, което предполага, че QSO1 има много чиста галактическа среда.

Масивната маса на QSO1 спрямо галактиката-домакин предполага, че тя не би трябвало да се е образувала от постепенно сливане и захранване на по-малки черни дупки със звездна маса. Очевидно черната дупка на Малката червена точка QSO1 предшества процеса на звездна еволюция. Тя би могла да е еволюира от тежко семе, образувано в рамките на първата секунда на Големия взрив (първична черна дупка) или малко по-късно от колапса на гигантски облак от газ (черна дупка с директен колапс) и може да е в ранните етапи на изграждане на галактика около нея. В момента не е възможно да се каже дали свръхмасивната черна дупка на Малката червена точка QSO1 е първична черна дупка (PBH) или черна дупка с директен колапс (DCBH); въпреки това, има доказателства за незвездно образуване на черни дупки в ранната Вселена.

***

Литература: 

1. Майолино Р., и др 2026. Черна дупка в почти девствена галактика 700 милиона години след Големия взрив. Месечни известия на Кралското астрономическо дружество, том 548, брой 1, май 2026 г., staf2109. Публикувано на 06 април 2026 г. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/staf2109
2. Юоджбалис, И., Маркончини, К., Д'Еугенио, Ф. и др. Директно измерване на масата на черна дупка в малка червена точка при високо червено отместване. Nature 653, 1017–1021 (2026). Публикувано на 27 май 2026 г. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10579-4
3. Уеб от НАСА разкрива черна дупка, образувана преди нейната галактика. Публикувано на 27 май 2026 г. Достъпно на https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/

***

Свързани статии 

Космическият телескоп „Джеймс Уеб“ (JWST): Първата космическа обсерватория, посветена на изучаването на ранната Вселена (6 ноември 2021 г.)

Изследване на ранната Вселена: Експериментът REACH ще открие неуловима 21-сантиметрова линия от космически водород (3 август 2022 г.)

Кафяви джуджета (BD): Телескопът Джеймс Уеб идентифицира най-малкия обект, образуван по звездоподобен начин (5 януари 2024 г.)

Най-старата черна дупка от ранната Вселена оспорва модела на формирането на черните дупки (24 януари 2024 г.)

Ранна Вселена: Най-далечната галактика „JADES-GS-z14-0“ оспорва моделите за формиране на галактики (12 август 2024 г.)

Парадокс на богатите на метал звезди в ранната Вселена (27 септември 2024 г.)

***