Колосални чудовища дебнат в центровете на всички галактики. Известни като свръхмасивни черни дупки, тези гравитационни зверове могат да имат милиони до милиарди пъти по-голяма маса от тази на слънцето.

В продължение на десетилетия астрономите се чудят откъде идват тези гиганти и как са станали толкова огромни. В началото физиците смятали, че свръхмасивните черни дупки се образуват подобно на други, по-малки черни дупки – с големи звезди, които се сриват и се превръщат в черни дупки с размерите на слънцето, които бавно развиват околната материя и се сливат помежду си в продължение на милиарди години.

Но става все по-ясно, че този модел е нарушен.

Космическият телескоп „Джеймс Уеб“ (JWST) вече надникна назад към някои от най-ранните епохи в космическата история, за да открие гигантски черни дупки, които са твърде големи, твърде рано, за да бъдат обяснени с традиционните модели. Изследователите започват да сглобяват история за това как са възникнали, което вероятно е включвало странни и екзотични процеси.

Нови изследвания показват, че огромни черни дупки може да са съществували от най-ранните дни на Вселената, може би дори преди звездите и галактиките, и че са се образували по множество начини. Докато бъдещите открития ще помогнат за стесняване на преобладаването на всеки механизъм за образуване, много хора в областта вече са развълнувани да започнат да разкриват дългогодишна космическа мистерия.

„Това е един от най-вълнуващите етапи от кариерата ми“, казва Роберто Майолино, астрофизик от университета в Кеймбридж. „Изкушавам се да го нарека истинска революция в разбирането ни за формирането на тези обекти.“

Намеци за несъответствието в космическите размери се появиха в началото на 2000-те години, когато инструменти като Sloan Digital Sky Survey помогнаха за събирането на данни за десетки хиляди изключително ярки обекти, наречени квазари, в далечната вселена. Смята се, че тези светещи образувания са гигантски черни дупки в центровете на галактиките. Те се хранят с огромни количества газ и прах и след това изхвърлят мощна радиация. Проучването Sloan показа, че много квазари са съществували, когато Вселената е била само на 800 милиона години – малка част от сегашната ѝ възраст от 13.8 милиарда години. Съществуването на тези гиганти, които имат милиони до милиарди пъти по-голяма от слънчевата маса, беше озадачаващо за космолозите.

Това е така, защото типичната черна дупка възниква, когато огромна звезда наближава края на живота си и експлодира като огнена свръхнова. Ядрото на титаничната звезда се свива в свръхплътна точка, от която нищо, включително светлина, не може да излезе. Такива черни дупки със звездни размери обикновено са около 10 до 100 пъти по-масивни от слънцето. Въпреки че тези обекти могат да се привличат гравитационно един към друг и да се сливат във все по-големи черни дупки, изглежда не е имало достатъчно време за подобни процеси, за да ги доведат до мащаб на квазар в най-ранните моменти от космическата история.

„Знаехме, че или те растат много бързо, или трябва да има други начини за формирането им“, казва астрофизикът Игнас Юодзбалис, също от университета в Кеймбридж.

Въпросът беше как. Една водеща теория твърди, че в миналото гигантски струпвания от газ и прах са могли да се срутят под собственото си тегло, бързо образувайки черна дупка с маса от може би 1000 до 1 милион пъти по-голяма от слънчевата. Тези черни дупки с директен колапс, както се наричат, след това биха се разраснали, като се хранят с газ и прах и се сливат със свръхмасивните черни дупки, наблюдавани в днешните галактически центрове.

Моделите предсказваха, че когато такива черни дупки се препълнят, те ще станат изключително ярки в сравнение с галактиките си гостоприемници, като или ще съвпадат, или ще надвишават светимостта на околните звезди. С други думи, те ще се превърнат в квазари.

През 2023 г. JWST забеляза далечна галактика, наречена UHZ1, която сякаш точно съответства на модела на черна дупка с директен колапс. Галактиката е съществувала, когато Вселената е била едва на 470 милиона години и е съдържала черна дупка с приблизителна маса от 40 милиона слънца.

Астрономите имаха късмет, защото UHZ1 беше забелязана както от JWST, който вижда в инфрачервената част на електромагнитния спектър, така и от рентгеновата обсерватория Chandra на НАСА, която вижда в рентгенова светлина. Инфрачервената светлина идва предимно от звезди и топъл прах, нагрят от звездната светлина, докато по-мощните рентгенови лъчи излизат от поглъщащата черна дупка.

Инфрачервената и рентгеновата яркост на UHZ1 са доста сходни една с друга, което предполага черна дупка, толкова голяма, че съперничи на масата на всички звезди в своята галактика. (За сравнение съвременна галактика като нашия Млечен път има около 20 000 пъти по-голяма маса в своите звезди, газ и прах, отколкото в централната си черна дупка.) Никой никога не беше виждал нещо подобно преди.

UHZ1 не е единствената находка. Почти от момента на включването си JWST открива изключително компактни червени образувания, съществували главно когато Космосът е бил на възраст между 0.5 и 1.5 милиарда години. Известни като „малки червени точки“, първоначално се е смятало, че са галактики, твърде големи, за да са се образували в ранната вселена, което е накарало някои учени да ги нарекат „разрушители на вселени“ заради преобръщане на модели на космическа история. Преобладаващият консенсус сега се насочва към възможността, че вместо необичайно големи галактики, това са странни, огромни черни дупки.

Други мисии, като например обсерваторията „Евклид“ на Европейската космическа агенция, изстреляна през 2023 г., и римския космически телескоп „Нанси Грейс“ на НАСА, чието изстрелване се очаква да бъде изстреляно през 2027 г., ще си партнират с JWST, за да открият и изучат още ранни свръхмасивни черни дупки. Това би трябвало да помогне на изследователите да разграничат тези механизми на образуване и да определят кой, ако има такъв, е по-често срещан.

Снимка: Unsplash/NASA, ESA, CSA, STScI, Dale Kocevski (Colby College)/MPIA/HdA/T. Müller/A. de Graaff

Виж още: Работа от разстояние: бионична ръка, управлявана с мисълта, продължава да се движи отделена от тялото