Когда в июле 2022 года космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST) начал научные наблюдения, он открыл новое окно во Вселенную. JWST заглянул так далеко в прошлое, как ни один другой телескоп, и преподнёс несколько сюрпризов. Одним из них стали «Маленькие красные точки» (LRD) — древние, тусклые объекты, которые мощный космический телескоп обнаружил всего через 600 миллионов лет после Большого взрыва.
JWST обнаружил более 300 LRD, и их яркость указывала на огромные звёздные массы. Хотя поначалу считалось, что это галактики, не все были с этим согласны, и оставалось много вопросов. Так много LRD было обнаружено в столь ранний период времени, что их существование противоречило нашему пониманию раннего космоса.
Первоначальные исследования показали, что LRD — это активные галактические ядра (AGN) с сверхмассивными чёрными дырами (SMBH) в их центрах. Это может объяснить их характерный красный цвет, вероятно, вызванный огромным количеством газа и пыли, окружающего объекты в виде аккреционных дисков. Но в остальном они не похожи на AGN. Они не излучают обнаруживаемых рентгеновских лучей, имеют плоский спектр в инфракрасном диапазоне и демонстрируют очень малую изменчивость.
Новое исследование предполагает, что LRD на самом деле не галактики, а тип гипотетических звёзд, называемых сверхмассивными звёздами (SMS). Астрономы считают, что SMS — это критические промежуточные стадии формирования зародышей SMBH. Эти SMBH питают квазары, которые учёные наблюдали в ранней Вселенной.
Исследование под названием «Сверхмассивные звёзды соответствуют спектральным характеристикам „Маленьких красных точек“ JWST» провели Девеш Нандал из отдела астрономии Университета Вирджинии и Авраам Лоэб из Гарвардского центра астрофизики и Смитсоновского центра астрофизики. Исследование доступно на сервере препринтов arXiv.
Авторы пишут: «Космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST) открыл популяцию загадочных компактных источников с высоким красным смещением, известных как „Маленькие красные точки“ (LRD), физическая природа которых остаётся предметом интенсивных дискуссий».
Исследователи намеревались количественно проверить гипотезу о том, что LRD на самом деле являются первобытными SMS.
Считается, что SMS имеют около 10⁶ масс Солнца. Идея состоит в том, что эти звёзды могли образоваться только в ранней Вселенной, и что они взорвались как сверхновые звёзды с коллапсом ядра, создав ранние чёрные дыры, которые стали зародышами SMBH. Они могут объяснить, почему исследователи находят SMBH так рано в космическом времени, задолго до того, как они должны были бы существовать, согласно современным теориям.
«LRD могут представлять собой прямой фотосферный свет аккрецирующих SMS, пойманных в последние ≲ 10³ лет до коллапса», — пишут авторы. «Этот короткий срок жизни согласуется с редкостью LRD, предполагая, что они представляют собой мимолетную, но важную фазу в формировании галактик и чёрных дыр».
Исследователи разработали подробные атмосферные модели для SMS с 10⁶ массами Солнца и без металлов. Поскольку эти звёзды являются звёздами населения III, они не должны содержать металлов. Модель смогла учесть наблюдаемые характеристики LRD.
Смоделированный SMS соответствовал светимости LRD, и спектральные особенности также совпадали. Это важно, потому что, как объясняют авторы, «Окончательная проверка нашей модели — это её способность воспроизводить наблюдаемые спектры LRD». В своей работе они сосредоточились на двух LRD, называемых MoM-BH*-1 и The Cliff, объектах, которые занимают видное место в научной литературе.
«Определяющей характеристикой спектров LRD является одновременное присутствие сильной широкой эмиссионной линии Hβ наряду с другими линиями Бальмера в поглощении», — объясняют авторы. Они говорят, что это вызвано протяжённой плотной фотосферой вокруг SMS.
Нандал и Лоэб говорят, что их работа — это «исследование первых принципов того, могут ли сверхмассивные звёзды населения III (SMS) служить центральными двигателями для загадочного класса объектов, известных как „Маленькие красные точки“ (LRD)».
Они показали, что SMS с 10⁶ массами Солнца соответствуют светимости LRD. Они показали, что протяжённая звёздная фотосфера вокруг SMS может объяснить V-образный разрыв Бальмера, наблюдаемый в LRD. Они также показали, что спектры SMS соответствуют наблюдаемым спектрам LRD.
«В заключение, наша модель SMS представляет собой удивительно простую и непротиворечивую физическую картину для LRD», — пишут авторы. «В то время как другие модели, показывающие, что LRD являются активными галактическими ядрами, требуют отдельных компонентов для излучения, поглощения и континуума, наша модель представляет единое происхождение. Это соответствует принципу бритвы Оккама, который призывает нас искать объяснения с наименьшим количеством элементов».
Хотя одно исследование ничего не доказывает напрямую, оно закладывает основу для более глубоких исследований. «Будущая работа должна опираться на фундамент, заложенный здесь», — пишут исследователи в своём заключении. Расширенные модели могут изучить, существуют ли различные пути для SMS с разными массами и другими свойствами, чтобы сформировать наблюдаемую популяцию LRD.
«Маленькие красные точки» чрезвычайно трудно наблюдать, они находятся на пределе возможностей JWST. Хотя однажды может появиться более мощный преемник JWST, пока учёным приходится работать с тем, что у них есть.
Если будет доказано, что галактики «Маленьких красных точек» на самом деле не галактики, а сверхмассивные звёзды, которые являются прародителями сегодняшних сверхмассивных чёрных дыр (SMBH), у нас будет ответ на один из самых волнующих вопросов в астрономии. Учёные могут продолжать утверждать, что LRD на самом деле являются SMS, но они могут не иметь возможности подтвердить это до глубокой перспективы.