Астрономы нашли галактику, где черная дыра старше всех звезд

Долгое время считалось, что галактики формируются по единому сценарию: сначала рождаются массивные звезды, затем при их взрывах возникают черные дыры, которые сливаются и поглощают газ, постепенно превращаясь в сверхмассивные. Однако в 2010-х годах появились данные, заставившие усомниться в этой картине. Ученые находили галактики, существовавшие уже через миллиард лет после Большого взрыва, с черными дырами, которые просто не могли успеть вырасти из звезд.

Загадка «маленьких красных точек»

Недавно телескопы зафиксировали сотни очень древних объектов, получивших название «маленькие красные точки». Они не походили ни на что известное ранее. Международная группа исследователей решила разобраться в природе хотя бы одного из них — Abell 2744−QSO1. Результаты опубликованы в журнале Nature.

Оказалось, что это не просто черная дыра, а целая галактика. Но ее звездная масса составляет менее половины массы центральной черной дыры — не менее 50 миллионов масс Солнца. Для сравнения: в близких к нам регионах Вселенной масса черной дыры обычно в тысячу раз меньше массы окружающих звезд.

Почему классический сценарий не работает

Черная дыра поглощает вещество с определенной скоростью, ограниченной пределом Эддингтона. Abell 2744−QSO1 мы видим таким, каким он был всего через 700 миллионов лет после Большого взрыва. За такое время черная дыра физически не могла поглотить больше звезд и газа, чем есть в окружающей галактике. К тому же, как установили астрономы, этот объект поглощает вещество значительно медленнее своего предела Эддингтона.

Авторы исследования назвали его «самой голой массивной черной дырой из когда-либо обнаруженных». В галактике чрезвычайно мало тяжелых элементов — тех, что образуются в недрах звезд и при их взрывах. Это логично: если звезд почти нет, то и тяжелых элементов должно быть мало.

Ученые пришли к выводу, что единственное разумное объяснение — черная дыра возникла не из звезд, а в результате других процессов. Среди кандидатов — «прямой коллапс» первичного газа, минуя стадию звездообразования, или так называемые первичные черные дыры, сформировавшиеся в первую же секунду после Большого взрыва.

Прямой коллапс потребовал бы мощного ультрафиолетового излучения, следов которого не обнаружено. Поэтому астрономы склоняются к гипотезе первичной черной дыры. Однако и здесь есть проблема: большинство моделей предсказывают, что первичные черные дыры должны быть маломассивными. Как они успели слиться до массы в 50 миллионов Солнц за 700 миллионов лет — пока неясно.

Исследователи предполагают, что это могло произойти в плотных скоплениях первичных черных дыр. Слабость этой версии — необходимость привлекать экзотические механизмы, не вытекающие из доказанных теорий. В то же время существует гипотеза циклической Вселенной Николая Горькавого, где черные дыры переходят из одного цикла в другой, переживая Большой взрыв. В таком сценарии некоторые реликтовые черные дыры изначально обладают большой массой и становятся ядрами, вокруг которых формируются галактики.