Невъзможно големите черни дупки разкриват своите семена

С помощта на съвременните мощни телескоти астрономите с изненада откриха, че в далечните, което означава и много ранни галактики има черни дупки, толкова огромни, че е невъзможно, просто не са имали време, да са се образували по класическия начин чрез сливане. Затова учени предлагат друг модел - чрез директен колапс.

Необяснимо масивни черни дупки 

В ранната Вселена са съществували галактики с твърде масивни централни черни дупки – по-масивни, отколкото предвиждат теоретичните модели – а с началото на наблюденията с космическия телескоп "Джеймс Уеб" това впечатление само се засилва.

Ранната Вселена, на по-малко от 1 милиард години след Големия взрив, е гъмжала от галактики, съдържащи свръхмасивни черни дупки. Конвенционалният начин за образуване на свръхмасивни черни дупки е чрез последователни сблъсъци на по-малки черни дупки, а в среди с много черни дупки тези сблъсъци и сливания в крайна сметка водят до свръхмасивни черни дупки с милиони или дори милиарди слънчеви маси.

Но има един проблем: тези сблъсъци изискват периоди, по-дълги от милиард години, за да се образуват свръхмасивни черни дупки. Тогава, като възможно решение, се появява идеята за "директно колапсиращи черни дупки" (DCBH - direct collapse black holes). Тези черни дупки се образуват, когато огромни газови облаци внезапно се свиятв себе си, образувайки черна дупка, която може да има до 100 000 слънчеви маси.

Черни дупки от директен колапс

За разлика от нормалния начин за образуване на черни дупки (смъртта на масивни звезди), този модел предполага, че огромен облак от газ може директно да се свие (колапсира) в такава, без изобщо да образува звезда. Получената DCBH може да има маса колкото сто хиляди Слънца взети заедно – с порядъци повече от "нормална" черна дупка. Въпреки че този начин може да обясни наличието на огромни черни дупки толкова рано в историята на Вселената, никога не е наблюдавано това директно да се случва, така че засега това остава само теоретична възможност.

Ако обаче DCBH са били широко разпространени в ранните времена, има един косвен признак, който би могло да се открият: голяма популация от черни дупки със средна маса (IMBH - intermediate mass black hole) с маси между сто хиляди и милион пъти по-големи от тези на Слънцето. Ако може да се открие такава популация, това ще бъдат сериозни доказателства за модела DCBH.

Търсене на черни дупки със средна маса

Идентифицирането на IMBH изисква сложна комбинация от спектрална разделителна способност и чувствителност. Светлината от обекта трябва да бъде изследвана много фино, за да се открият характерните черти на IMBH. Тези източници обаче са доста слаби, така че всеки потенциален сигнал е много вероятно да се загуби в шума.

Авторите на новата статия използват безпрецедентен набор от наблюдения, за да прескочат това препятствие и директно да изследват IMBH. Те не само използват най-чувствителния спектроскопски инструмент (NIRSpec) на най-мощния космически телескоп "Джеймс Уеб", но и се възползват от феномен, известен като гравитационна леща.

Според Общата теория на относителността на Айнщайн, гравитацията е резултат от изкривяването на пространство-времето от материята. Областите с по-концентрирана материя ще предизвикат по-силно изкривяване. Когато обект, движещ се по напълно права линия, се движи през извито пространство, неговият път изглежда извит. Същият ефект се случва и със светлината. Интересно е, че голяма концентрация на материя може да пренасочи разминаващите се лъчи светлина към фокус, действайки като огромна лупа.

Астрономите се възползват от гравитационната леща като насочват телескопи към масивни купове от галактики. Интензивната гравитация на тези региони може да увеличи източниците на заден план десетки или дори стотици пъти. Галактики, които биха били невъзможно слаби за наблюдение при нормални условия, могат да бъдат наблюдавани, ако са силно увеличени с помощта на космическата лупа, което прави тази техника мощна за изследване на иначе скрити обекти.

Схема за това как гравитационните лещи огъват светлината (белите линии) от отдалечени обекти. Кредит: L. Hustak (STScI)

Слаби финни източници на гама лъчи под лупа

Работейки по проекта GLIMPSE (Galactic Legacy Infrared Midplane Survey Extraordinaire) астрономите насочват телескопа "Джеймс Уеб" към клъстера Abell S1063.

Този клъстер, поради огромната си маса, действа като гравитационна леща, което прави възможно на "Джеймс Уеб" да изучава галактики в ранната вселена отвъд клъстера.

Дългото време на експозиция, комбинирано с оптичната сила на клъстера, позволява изключително слабите източници на заден план да бъдат видени с безпрецедентни детайли. Изследователите проучват данните, за да търсят признаци на активен растеж на черни дупки в наблюдаваните галактики. По-конкретно, те внимателно изучават емисионните линии в спектъра на всеки обект.

Обикновено емисионните линии изглеждат тесни. Газът около масивна черна дупка обаче циркулира с големи скорости. Тогава се проявява феномен, известен като ефект на Доплер. Това е същият ефект, който е отговорен за характерното покачване и спадане на тона на сирена от преминаващо превозно средство за спешна помощ.

Емисията от газ, движещ се към нашата линия на видимост, изглежда по-синя, отколкото би била в противен случай, а газът, движещ се от нас, изглежда изместен в червено. Крайният ефект е, че една емисионна линия се разширява. Ширината на емисионната линия може да се използва за оценка на масата на централната черна дупка, където по-широките крила предполагат по-масивна черна дупка.

Изследователите откриват 10 активни централни черни дупки или "активни галактически ядра" (AGN), както ги наричат астрономите, които показват разширени линии от серията Балмер. Поразително е, че те изчисляват, че тези галактики имат централни черни дупки с маси, едва 400 000 пъти по-големи от тези на Слънцето. Макар че това може да звучи много, то е практически нищо в сравнение с чудовищните 100 милиона черни дупки с масата на Слънцето, които "Джеймс Уеб" постоянно открива в други изследвания. Откриването на такива леки черни дупки, навлизащи в диапазона на средните или IMBH, е възможно само благодарение на невероятната чувствителност на тези наблюдения.

Изследователите също така изчисляват т.нар. BHMF (black hole mass function) или функция, изразяваща честотата, с която се срещат черни дупка с определена маса. С други думи, BHMF измерва колко често се срещат леките черни дупки в сравнение със свръхмасиваните. BHMF, изчислена в това изследване, и няколко други точки за сравнение са показани на фигурата по-долу.

Сравнение на BHMF от различни предишни проучвания и новата статия. Червените шестоъгълници са точки от данни, изчислени с помощта на наблюдаваното AGN в тази работа, докато сините кръгове и жълтите квадрати са измервания, изчислени с помощта на наблюдаваните AGN в предишни трудове. Червените, зелените и сините защриховани области представляват очакваната функция на масата на черната дупка (BHMF) от различни теоретични модели.

Анализираните в настоящата статия AGN са централни черни дупки с много по-ниски маси от всички наблюдавани в миналото (в този ранен момент от развитието на Вселената), авторите могат да изследват напълно нова област на функцията на съотношението на броя черните дупки със средна към явръхголяма маса или BHMF.

Както се вижда на фигурата, най-левият червен шестоъгълник (точка с най-ниска маса) се отклонява от приблизително правата линия, очертана от останалите точки с данни. Това предполага, че има значително повече черни дупки с няколкостотин хиляди слънчеви маси, отколкото се очакваше преди.

Удивително е, че това е точно същото измерване, което би се получило, ако DCBH (хипотетичният вид масивни черни дупки, споменати по-рано в тази статия) бяха често срещани в ранната Вселена.

Ако разпръснете огромни семена върху голямо поле, няма да се изненадате да видите море от малко по-големи растения няколко месеца по-късно. Тъй като DCBH започват с такъв мощен старт, от толкова масивни "семена", лесно могат да пораснат още малко, за да достигнат прага на първия червен шестоъгълник, показан вляво на графиката.

A GLIMPSE of Intermediate Mass Black holes in the epoch of reionization: Witnessing the Descendants of Direct Collapse?. Qinyue Fei et. al. https://arxiv.org/abs/2509.20452

[image or embed]

— AstroArxiv (@astroarxiv.bsky.social) September 26, 2025 at 5:54 AM

И така, това доказателство ли е, че ранната Вселена е била изпълнена с с DCBH, като това проучване сондира върха на изумителен айсберг?

Твърде рано е да се каже със сигурност. Макар че това със сигурност е вълнуващ резултат, който хвърля светлина върху неизследвана досега популация от обекти, човек може да направи само толкова с извадка от десет обекта.

Ще са необходими още последващи наблюдения, за да се измери съотношението BHMF по-точно. И все пак е удивително да си представим колко много са се променили нещата само за няколко години. 

А "Джеймс Уеб" продължава да предоставя безпрецедентен поглед за някои от най-спиращите дъха въпроси в цялата астрономия.

Справка: Fei, Qinyue et al; A GLIMPSE of Intermediate Mass Black holes in the epoch of reionization: Witnessing the Descendants of Direct Collapse?, ArXiv; https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2025arXiv250920452F/abstract 

Източник: Black Holes Reveal their Seeds, Ansh Gupta, Аstrobites.org

Още по темата

13/08/2025

Физика

Нов модел обяснява защо има толкова големи черни дупки в ранната Вселена. И други космoлoгични мистерии

11/03/2025

Космос

Избягалите звезди разкриват втората най-близка свръхмасивна черна дупка

12/08/2024

Космос

Космически детективи откриха неочакван вид черна дупка в центъра на Млечния път

01/03/2021

Физика

Гравитационните вълни GW190521 може да са дошли от сблъсък на екзотични бозонни звезди