Juodoji skylė, nesusiformavusi iš žvaigždžių kolapso 

Juodoji skylė Mažajame Raudonajame Taške (LRD) Abell 2744-QSO1, kurią JWST stebėjo ankstyvojoje visatoje (maždaug 700 mylių po Didžiojo sprogimo), yra supermasyvi juodoji skylė, kuri išaugo iki dabartinio dydžio be daug didesnės galaktikos, kuri ją maitintų. Pagal standartinį žvaigždžių evoliucijos modelį, juodosios skylės susidaro dėl didesnių žvaigždžių mirties jų gyvavimo pabaigoje, kai joms pritrūksta kuro dėl žvaigždės branduolio kolapso. Šios juodosios skylės auga maitindamosi medžiaga iš daug didesnės galaktikos. Mažojo Raudonojo Taško QSO1 juodoji skylė neatitinka šios sistemos ir yra nauja. Ji susidarė tiesiogiai be standartinės žvaigždžių evoliucijos, t. y. tai nėra didelės mirštančios žvaigždės branduolio kolapso liekana. Tai yra arba tiesioginio kolapso juodoji skylė (DCBH), arba pirmykštė juodoji skylė (PBH). Juodosios skylės, nesusidariusios dėl žvaigždžių kolapso, buvo teoriškai iškeltos anksčiau. Tai įrodymas, kad juodoji skylė susidaro dėl proceso, kuris nėra standartinė žvaigždžių evoliucija.

Kaip susidaro juodoji skylė? Pagal standartinį žvaigždžių evoliucijos modelį, juodosios skylės yra galutiniai masyvių žvaigždžių evoliucijos produktai. Žvaigždės laikui bėgant keičiasi. 

Žvaigždės gyvybė prasideda dideliuose tarpžvaigždiniuose dujų ir dulkių debesyse galaktikoje, kai dėl žemos temperatūros dujos susikaupia iki didelio tankio kišenių. Šie gumulai palaipsniui sukaupia vis daugiau materijos ir didėja. Tam tikru momentu gumulai subliūkšta dėl padidėjusios gravitacinės jėgos į vidų. Trintis kolapso metu įkaitina materiją ir gimsta mažylė žvaigždė. Tai yra protožvaigždės stadija žvaigždės gyvavimo cikle. Gravitacinis kolapsas tęsiasi toliau, todėl protožvaigždės branduolyje palaipsniui didėja temperatūra ir slėgis. Laikui bėgant temperatūra ir slėgis tampa pakankamai aukšti, kad galėtų susilieti vandenilio branduoliai. Branduolių sintezės metu išsiskiria didžiulis energijos kiekis, kuris pakankamai įkaitina materiją, kad būtų išvengta tolesnio kolapso veikiant gravitacijai. Tai yra žvaigždės „pagrindinės sekos stadija“. Pagrindinis kuras yra vandenilis. 

Kai baigiasi kuras, branduolių sintezė sustoja ir nebėra energijos medžiagoms kaitinti, kad būtų subalansuota į vidų nukreipta gravitacijos jėga, todėl branduolys kolapsuoja, palikdamas kompaktišką likutį. Tai yra žvaigždės pabaiga. Negyva žvaigždė arba kompaktiškas likutis yra arba baltoji nykštukė, arba neutroninė žvaigždė, arba juodoji skylė, priklausomai nuo pradinės žvaigždės masės. Žvaigždės, sunkesnės nei 20 Saulės masių (>20 M⦿), žvaigždžių evoliucijos pabaigoje, kai baigiasi kuras, tampa juodosiomis skylėmis. Tai yra standartinis būdas – pirmiausia susidaro žvaigždės ir galaktikos, o juodosios skylės – vėliau, kaip žvaigždžių evoliucijos pabaigos etapas. Tokių juodųjų skylių masė yra daug mažesnė už bendrą galaktikos masę.

Nežvaigždinių juodųjų skylių susidarymas

Ar juodosios skylės gali susidaryti kitaip nei kolapsuojant žvaigždžių branduoliui? Buvo iškelti du „nežvaigždinių“ formavimosi kanalų teorijos. 

Ankstyvojoje visatoje didelis pirmykštis dujų debesis gali tiesiogiai kolapsuoti į juodąją skylę, apeidamas įprastą žvaigždžių formavimąsi ir evoliuciją, ir susidaryti tai, ką mes vadiname tiesioginio kolapso juodosiomis skylėmis (DCBH). Kitos hipotetinės juodosios skylės, susidariusios tiesiogiai, nedalyvaujant standartinei žvaigždžių evoliucijai, yra pirmykštės juodosios skylės (PBH). PBH yra Didžiojo sprogimo reliktai, susidarę labai ankstyvosios visatos ekstremalių tankio svyravimų metu netrukus po Didžiojo sprogimo. 

Juodosios skylės, susidariusios per „nežvaigždinius“ kanalus, yra tik teoriškai apmąstomos, todėl jos yra hipotetinės. Tačiau viskas ėmė sparčiai keistis 2021 m. gruodį paleidus JWST – infraraudonųjų spindulių kosminę observatoriją, skirtą ankstyvosios visatos tyrimams.

Džeimso Vebo kosminis teleskopas (JWST) sukėlė revoliuciją ankstyvosios visatos tyrimuose 

JWST atliko keletą stebėjimų, kurie meta iššūkį mūsų supratimui apie ankstyvąją visatą. Stebėta JADES-GS-z14-0 galaktika, kurios raudonasis poslinkis yra 14.32, todėl tai yra tolimiausia žinoma galaktika. Ši galaktika susiformavo ankstyvojoje visatoje maždaug po 290 milijonų metų po Didžiojo sprogimo, tačiau tai yra didelė, masyvi ir labai šviesi galaktika. Taip pat nustatyta, kad joje gausu metalų, o tai reiškia, kad masyvių žvaigždžių kartos jau būtų baigusios savo gyvenimo ciklus nuo gimimo iki supernovos sprogimo maždaug per 290 milijonų metų ankstyvojoje visatoje. Panašiai ir ankstyvosios visatos galaktika GS-NDG-9422, datuojama maždaug po milijardo metų po Didžiojo sprogimo, buvo nustatyta chemiškai sudėtinga ir joje nebuvo III populiacijos žvaigždžių. Remiantis dabartiniu supratimu, pirmoji ankstyvosios visatos žvaigždžių karta turėtų būti III populiacijos žvaigždės, neturinčios metalingumo. (Astronomijoje bet kuris už helį sunkesnis elementas laikomas metalu. Cheminiai nemetalai, tokie kaip deguonis, azotas ir kt., kosmologiniame kontekste yra metalai. Žvaigždės praturtėja metalais kiekvienoje kartoje po supernovos sprogimo). 

JWST taip pat stebėjo supermasyvias juodąsias skyles ankstyvojoje visatoje. Viena tokia juodoji skylė atsirado maždaug prieš 700 milijonų metų po Didžiojo sprogimo ir buvo maždaug kelis milijonus kartų didesnė už Saulės masę. Viskas prasidėjo nuo to, kad JWST stebėjo mažuosius raudonuosius taškus (LRD), kurie buvo pastebėti pirmajame JWST duomenų leidime 2022 m. Šie raudonos spalvos kompaktiški objektai turėjo V formos spektrus ir rodė didelio greičio vandenilio dujų emisiją. 

Mažasis raudonasis taškas QSO1 (arba Abell2744-QSO1) 

QSO1 (arba Abell2744-QSO1) yra prototipinis mažasis raudonasis taškelis, kurio skersmuo yra apie 1,300 šviesmečių ir atstumas daugiau nei 13 milijardų šviesmečių. Jis egzistavo ankstyvojoje visatoje praėjus vos 700 milijonų metų po Didžiojo sprogimo. Jį gravitaciniu lęšiu jungia galaktikų spiečius Abell 2744 (Pandoros spiečius), todėl jis yra ir padidintas, ir nufotografuotas trigubai, matydamas trijose skirtingose ​​dangaus vietose. Dėl to QSO1 lengviau tyrinėti nei daugumą kitų mažųjų raudonųjų taškų. 

Išsamus šio Mažojo raudonojo taško (LRD) tyrimas leido tyrėjams padaryti išvadą, kad kai kurios supermasyvios juodosios skylės buvo milžiniškos nuo pat pradžių. Jos susiformavo be žvaigždžių kolapso fazės ir be žymiai masyvesnės galaktikos, kuri jas maitintų. 

QSO reiškia kvazižvaigždinį objektą (paprastai vadinamą kvazaru). 

Pradiniai tyrimai parodė, kad QSO1 yra daugiau nei švytinčio vandenilio ir helio dujų debesis, sukasi aplink supermasyvią juodąją skylę, kurios masė yra maždaug 40 milijonų kartų didesnė už Saulę. Tačiau nebuvo aišku, ar ji tikrai tokia masyvi. Taip buvo todėl, kad iki šiol visi juodųjų skylių masės matavimai ankstyvojoje visatoje buvo netiesioginiai, pagrįsti prielaidomis, paremtomis tuo, ką žinome apie jas vietinėje visatoje. Nežinojome, ar šios prielaidos tikrai taikomos ankstyvajai visatai. 

Tyrėjai pripažino, kad jei QSO1 juodoji skylė iš tiesų yra tokia masyvi, jie turėtų galėti panaudoti JWST integralinio lauko vienetą (IFU), kad atsektų jos gravitacijos poveikį aplink ją besisukančioms dujoms, kartu kartografuodami įvairių elementų pasiskirstymą dujose. Todėl jie panaudojo IFU stebėjimus ir kartografavo vandenilio dujų judėjimą aplink juodąją skylę. 

Sukimosi greičio, kaip atstumo nuo centro funkcijos, grafikas parodė, kad dujos juda Keplerio principu, o tai reiškia, kad didžioji Mažojo raudonojo taško QSO1 masės dalis yra sutelkta centre esančioje juodojoje skylėje. Jei masė būtų pasiskirstiusi, dujos nebūtų skriejusios aplink centrinį tašką idealiu Keplerio principu, kaip Saulės sistemoje planetos skrieja aplink Saulę. 

Kadangi Keplerio judėjimą lemia gravitacijos dėsniai, dujų greičio matavimai leido tyrėjams tiesiogiai apskaičiuoti juodosios skylės masę. Tai buvo pirmasis tiesioginis ankstyvosios visatos juodosios skylės masės matavimas. Nustatyta, kad QSO1 juodoji skylė yra apie 50 milijonų Saulės masių. Be to, ši juodoji skylė sudaro du trečdalius visos QSO1 masės. Tai labai neįprasta, nes supermasyvios juodosios skylės netoliese esančiose galaktikose paprastai sudaro tik nedidelę dalį pagrindinės galaktikos masės.

Be to, IFU sudėties žemėlapių analizė parodė, kad QSO1 galaktikoje esančios dujos beveik visiškai sudarytos iš vandenilio ir helio. Galaktika, kurioje gausu žvaigždžių ir žvaigždžių nuolaužų, turėtų turėti sunkesnių elementų, tokių kaip deguonis, tačiau QSO1 metalingumas yra itin mažas – mažesnis nei 0.5 % Saulės metalingumo, o tai reiškia, kad QSO1 galaktikos aplinka yra labai nesugadinta.

Didžiulė QSO1 masė, palyginti su ją supančia galaktika, rodo, kad ji neturėjo susidaryti palaipsniui susiliejant ir maitinantis mažesnėms žvaigždės masės juodosioms skylėms. Matyt, Mažojo raudonojo taško QSO1 juodoji skylė atsirado anksčiau nei žvaigždžių evoliucijos procesas. Ji galėjo išsivystyti iš sunkios sėklos, kuri susidarė per pirmąją Didžiojo sprogimo sekundę (pirmykštė juodoji skylė), arba šiek tiek vėliau, kolapsuojant milžiniškam dujų debesiui (tiesioginio kolapso juodoji skylė), ir gali būti ankstyvosiose galaktikos kūrimosi aplink ją stadijose. Šiuo metu neįmanoma pasakyti, ar Mažojo raudonojo taško QSO1 supermasyvioji juodoji skylė yra pirmykštė juodoji skylė (PBH), ar tiesioginio kolapso juodoji skylė (DCBH); tačiau yra įrodymų, kad ankstyvojoje visatoje juodosios skylės susidarė nežvaigždinėje formoje.

***

Nuorodos: 

1. Maiolino R., et al 2026. Juodoji skylė beveik nesugadintoje galaktikoje, esanti už 700 mylių po Didžiojo sprogimo. Karališkosios astronomijos draugijos mėnesiniai pranešimai, 548 tomas, 1 numeris, 2026 m. gegužė, staf2109. Paskelbta 2026 m. balandžio 06 d. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/staf2109
2. Juodžbalis, I., Marconcini, C., D'Eugenio, F. ir kt. Tiesioginis juodosios skylės masės matavimas mažame raudoname taške esant dideliam raudonajam poslinkiui. Nature 653, 1017–1021 (2026). Paskelbta 2026 m. gegužės 27 d. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10579-4
3. NASA Webb teleskopas atskleidžia juodąją skylę, kuri susiformavo prieš jo galaktiką. Paskelbta 2026 m. gegužės 27 d. Prieinama adresu https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/

***

Susiję straipsniai 

Džeimso Vebo kosminis teleskopas (JWST): pirmoji kosminė observatorija, skirta ankstyvosios visatos tyrimams (2021 m. lapkričio 6 d.)

Ankstyvosios visatos tyrimas: REACH eksperimentas, skirtas aptikti sunkiai aptinkamą 21 cm liniją iš kosminio vandenilio (2022 m. rugpjūčio 3 d.)

Rudieji nykštukai (BD): Jameso Webbo teleskopu aptiktas mažiausias žvaigždės formos objektas (2024 m. sausio 5 d.)

Seniausia juodoji skylė iš ankstyvosios visatos meta iššūkį juodosios skylės susidarymo modeliui (2024 m. sausio 24 d.)

Ankstyvoji visata: tolimiausia galaktika „JADES-GS-z14-0“ meta iššūkį galaktikų formavimosi modeliams (2024 m. rugpjūčio 12 d.)

Metalų gausių žvaigždžių paradoksas ankstyvojoje visatoje (2024 m. rugsėjo 27 d.)

***