Melnais caurums, kas nav izveidojies zvaigžņu sabrukšanas rezultātā 

Melnais caurums Mazajā sarkanajā punktā (LRD) Abell 2744-QSO1, ko JWST novēroja agrīnajā Visumā (apmēram 700 gadus pēc Lielā sprādziena), ir supermasīvs melnais caurums, kas ir pieaudzis līdz pašreizējam izmēram bez daudz lielākas galaktikas, kas to barotu. Saskaņā ar zvaigžņu evolūcijas standarta modeli, melnie caurumi veidojas no lielāku zvaigžņu nāves to dzīves cikla beigās, kad tām beidzas degviela zvaigznes kodola sabrukšanas rezultātā. Šie melnie caurumi palielinās, barojoties ar matēriju no daudz lielākas galaktikas. Mazā sarkanā punkta QSO1 melnais caurums neatbilst šai sistēmai un ir jauns. Tas ir izveidojies tieši bez standarta zvaigžņu evolūcijas, t.i., tas nav palieka. lielas, mirstošas ​​zvaigznes kodola sabrukšanas gadījumā. Tā vietā tas ir vai nu tiešas sabrukšanas melnais caurums (DCBH), vai pirmatnējs melnais caurums (PBH). Iepriekš tika izvirzīta teorija par melnajiem caurumiem, kas nav radušies zvaigžņu sabrukšanas rezultātā. Tas ir pierādījums tam, ka melnais caurums ir izveidojies procesā, kas pārsniedz standarta zvaigžņu evolūcija.  

Kā veidojas melnais caurums? Saskaņā ar zvaigžņu evolūcijas standarta modeli, melnie caurumi ir masīvu zvaigžņu evolūcijas gala stadijas produkti. Zvaigznes laika gaitā piedzīvo izmaiņas. 

Zvaigznes dzīvība sākas lielos starpzvaigžņu gāzu un putekļu mākoņos galaktikā, gāzu salipšanai zemas temperatūras ietekmē pārejot uz augsta blīvuma kabatām. Salipumi pakāpeniski savāc arvien vairāk matērijas un aug. Kādā brīdī salipumi sabrūk palielinātā gravitācijas iekšējā spēka dēļ. Berze sabrukšanas laikā sasilda matēriju, un piedzimst jaunā zvaigzne. Šī ir protozvaigznes stadija zvaigznes dzīves ciklā. Gravitācijas sabrukšana turpinās, kā rezultātā pakāpeniski paaugstinās temperatūra un spiediens protozvaigznes kodolā. Laika gaitā temperatūra un spiediens kļūst pietiekami augsti, lai ūdeņraža kodoli varētu saplūst. Kodolsintēze atbrīvo milzīgu enerģijas daudzumu, kas pietiekami sasilda matēriju, lai novērstu turpmāku sabrukšanu gravitācijas ietekmē. Šī ir zvaigznes "galvenā secības stadija". Ūdeņradis ir galvenā degviela. 

Kad degviela beidzas, kodolsintēze apstājas un nav enerģijas materiālu sildīšanai, lai līdzsvarotu iekšējo gravitācijas spēku, un kodols sabrūk, atstājot aiz sevis kompaktu atlikumu. Tā ir zvaigznes beigas. Mirusī zvaigzne vai kompaktais atlikums ir vai nu baltais punduris, vai neitronu zvaigzne, vai melnais caurums atkarībā no sākotnējās zvaigznes masas. Zvaigznes, kas smagākas par 20 Saules masām (>20 M⦿), kļūst par melnajiem caurumiem zvaigžņu evolūcijas beigās, kad beidzas degviela. Šis ir standarta veids — vispirms veidojas zvaigznes un galaktikas, un vēlāk, zvaigžņu evolūcijas noslēguma posmā, veidojas melnie caurumi. Šādu melno caurumu masa ir daudz mazāka nekā galaktikas kopējā masa. 

Melno caurumu veidošanās bez zvaigznēm

Vai melnie caurumi var veidoties citādi, nevis zvaigžņu kodola sabrukšanas rezultātā? Ir izvirzītas teorētiskas divas "nezvaigžņu" veidošanās kanālu teorijas. 

Agrīnajā Visumā liels pirmatnējs gāzes mākonis var tieši sabrukt melnajā caurumā, apejot normālu zvaigžņu veidošanos un evolūciju, radot to, ko mēs saucam par tiešās sabrukšanas melnajiem caurumiem (DCBH). Citi hipotētiski melnie caurumi, kas izveidojušies tieši, neiesaistot standarta zvaigžņu evolūciju, ir pirmatnējie melnie caurumi (PBH). PBH ir Lielā sprādziena paliekas, kas izveidojušās ļoti agrīnā Visuma ekstremālo blīvuma svārstību laikā neilgi pēc Lielā sprādziena. 

Melno caurumu veidošanās caur "nezvaigžņu" kanāliem tiek uzskatīta tikai par teorētisku, tāpēc tie ir hipotētiski. Taču viss sāka strauji mainīties pēc JWST palaišanas 2021. gada decembrī – infrasarkanās kosmosa observatorijas, kas veltīta agrīnā Visuma izpētei.

Džeimsa Veba kosmiskais teleskops (JWST) revolucionizē agrīnā Visuma izpēti 

JWST ir veicis vairākus novērojumus, kas apšauba mūsu izpratni par agrīno Visumu. JADES-GS-z14-0 galaktikas novērojumi ar sarkano nobīdi 14.32, kas padara to par tālāko zināmo galaktiku. Šī galaktika izveidojās agrīnajā Visumā aptuveni 290 miljonus gadu pēc Lielā sprādziena, tomēr tā ir liela, masīva un ļoti spoža galaktika. Tika arī konstatēts, ka tā ir bagāta ar metāliem, kas nozīmē, ka masīvu zvaigžņu paaudzes jau bija pabeigušas savu dzīves ceļu no dzimšanas līdz supernovas sprādzienam aptuveni 290 miljonu gadu laikā agrīnajā Visumā. Līdzīgi tika konstatēts, ka agrīnā Visuma galaktika GS-NDG-9422, kas datēta aptuveni miljardu gadu pēc Lielā sprādziena, ir ķīmiski sarežģīta, un tajā nav III populācijas zvaigžņu. Saskaņā ar pašreizējo izpratni, agrīnā Visuma pirmajai zvaigžņu paaudzei vajadzētu būt III populācijas zvaigznēm ar nulles metāliskumu. (Astronomijā jebkurš elements, kas smagāks par hēliju, tiek uzskatīts par metālu. Ķīmiskie nemetāli, piemēram, skābeklis, slāpeklis utt., kosmoloģiskā kontekstā ir metāli. Zvaigznes bagātinās ar metāliem katrā paaudzē pēc supernovas notikuma). 

JWST ir novērojis arī supermasīvus melnos caurumus agrīnajā Visumā. Viens šāds melnais caurums radās aptuveni 700 miljonus gadu pēc Lielā sprādziena un tā masa bija aptuveni dažus miljonus reižu lielāka par Saules masu. Viss sākās ar to, ka JWST novēroja mazos sarkanos punktus (LRD), kas tika pamanīti JWST pirmajā datu izlaidumā 2022. gadā. Šiem sarkanajiem kompaktajiem objektiem bija V veida spektri un tie liecināja par liela ātruma ūdeņraža gāzes emisiju. 

Mazā sarkanā punkta QSO1 (vai Abell2744-QSO1) 

QSO1 (jeb Abell2744-QSO1) ir prototipisks mazais sarkanais punkts aptuveni 1,300 gaismas gadu diametrā un vairāk nekā 13 miljardu gaismas gadu attālumā. Tas pastāvēja agrīnajā Visumā tikai 700 miljonus gadu pēc Lielā sprādziena. To gravitācijas lēca ieskauj galaktiku kopa Abell 2744 (Pandoras kopa), tāpēc tas ir gan palielināts, gan trīskārši attēlots, parādoties trīs dažādās debesu vietās. Tā rezultātā QSO1 ir vieglāk pētīt nekā lielāko daļu citu mazo sarkano punktu. 

Detalizēts šī Mazā sarkanā punkta (LRD) pētījums ir novedis pētniekus pie secinājuma, ka daži supermasīvie melnie caurumi jau no paša sākuma bija milzīgi. Tie izveidojās bez zvaigžņu sabrukšanas fāzes un bez ievērojami masīvākas galaktikas, kas tos barotu. 

QSO apzīmē kvazizvaigžņu objektu (parasti sauktu par kvazāru). 

Sākotnējie pētījumi atklāja, ka QSO1 ir kas vairāk nekā tikai kvēlojoša ūdeņraža un hēlija gāzes mākonis, kas riņķo ap supermasīvu melno caurumu, kura masa ir aptuveni 40 miljonus reižu lielāka par Sauli. Tomēr pastāvēja neskaidrība par to, vai tas tiešām ir tik masīvs. Tas bija tāpēc, ka līdz šim visi melno caurumu masas mērījumi agrīnajā Visumā bija netieši, balstoties uz pieņēmumiem, kas balstīti uz to, ko mēs zinām par tiem lokālajā Visumā. Mēs nezinājām, vai šie pieņēmumi patiešām attiecas uz agrīno Visumu. 

Pētnieki atzina, ka, ja QSO1 melnais caurums patiešām ir tik milzīgs, viņiem vajadzētu būt iespējai izmantot JWST integrālā lauka vienību (IFU), lai izsekotu tās gravitācijas ietekmi uz ap to virpuļojošo gāzi, vienlaikus kartējot dažādu elementu sadalījumu gāzē. Tādēļ viņi izmantoja IFU novērojumus un kartēja ūdeņraža gāzes kustības ap melno caurumu. 

Rotācijas ātruma diagramma kā attāluma no centra funkcijas atklāja, ka gāzei ir Keplera kustība, kas nozīmē, ka lielākā daļa Mazā sarkanā punkta QSO1 masas ir koncentrēta melnajā caurumā centrā. Ja masa būtu sadalīta, gāze nebūtu riņķojusi ap centrālo punktu perfektā Keplera veidā tāpat kā planētas riņķo ap Sauli Saules sistēmā. 

Tā kā Keplera kustību nosaka gravitācijas likumi, gāzes ātruma mērījumi ļāva pētniekiem tieši aprēķināt melnā cauruma masu. Šis bija pirmais tiešais agrīnā Visuma melnā cauruma masas mērījums. Tika konstatēts, ka QSO1 melnais caurums ir aptuveni 50 miljonu Saules masu liels. Turklāt šis melnais caurums veido divas trešdaļas no QSO1 kopējās masas. Tas ir ļoti neparasti, jo supermasīvie melnie caurumi tuvējās galaktikās parasti veido tikai nelielu daļu no galaktikas kopējās masas.

Turklāt IFU sastāva karšu analīze parādīja, ka QSO1 galaktikā esošā gāze gandrīz pilnībā sastāv no ūdeņraža un hēlija. Galaktikā, kas bagāta ar zvaigznēm un zvaigžņu atlūzām, vajadzētu būt smagākiem elementiem, piemēram, skābeklim, taču QSO1 ir ārkārtīgi zems metāliskums, mazāk nekā 0.5% no Saules, kas nozīmē, ka QSO1 galaktikas vide ir ļoti neskarta.

QSO1 milzīgā masa attiecībā pret tās galaktiku liek domāt, ka tā, iespējams, nav veidojusies, pakāpeniski apvienojoties un barojoties mazākiem zvaigžņu masas melnajiem caurumiem. Acīmredzot Mazā sarkanā punkta QSO1 melnais caurums ir radies pirms zvaigžņu evolūcijas procesa. Tas varētu būt attīstījies no smagas sēklas, kas izveidojās Lielā sprādziena pirmajā sekundē (pirmatnējais melnais caurums) vai nedaudz vēlāk no milzīga gāzes mākoņa sabrukšanas (tiešas sabrukšanas melnais caurums), un, iespējams, atrodas galaktikas veidošanās sākumposmā ap to. Pašlaik nav iespējams pateikt, vai Mazā sarkanā punkta QSO1 supermasīvais melnais caurums ir pirmatnējais melnais caurums (PBH) vai tiešas sabrukšanas melnais caurums (DCBH); tomēr ir pierādījumi par nezvaigžņu melno caurumu veidošanos agrīnajā Visumā.

***

Norādes: 

1. Maiolino R., un citi 2026. Melnais caurums gandrīz neskartā galaktikā 700 miru attālumā pēc Lielā sprādziena. Karaliskās astronomiskās biedrības ikmēneša paziņojumi, 548. sējums, 1. numurs, 2026. gada maijs, staf2109. Publicēts 2026. gada 06. aprīlī. DOI: https://doi.org/10.1093/mnras/staf2109
2. Juodžbalis, I., Marconcini, C., D'Eugenio, F. u.c. Tiešs melnā cauruma masas mērījums mazā sarkanā punktā ar augstu sarkanās nobīdes vērtību. Nature 653, 1017–1021 (2026). Publicēts 2026. gada 27. maijā. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10579-4
3. NASA Veba teleskops atklāj melno caurumu, kas izveidojās pirms savas galaktikas. Publicēts 2026. gada 27. maijā. Pieejams vietnē https://science.nasa.gov/missions/webb/nasas-webb-reveals-black-hole-that-formed-before-its-galaxy/

***

Saistītie raksti 

Džeimsa Veba kosmiskais teleskops (JWST): pirmā kosmosa observatorija, kas veltīta agrīnā Visuma izpētei (6 novembris 2021) 

Agrīnā Visuma pētījums: REACH eksperiments, lai atklātu netveramu 21 cm līniju no kosmiskā ūdeņraža(3 augusts 2022) 

Brūnie punduri (BD): Džeimsa Veba teleskops identificē mazāko objektu, kas izveidots zvaigznei līdzīgā veidā (5 janvāris 2024) 

Vecākais melnais caurums no agrīnā Visuma izaicina melnā cauruma veidošanās modeli (24 janvāris 2024) 

Agrīnais Visums: visattālākā galaktika “JADES-GS-z14-0” izaicina galaktikas veidošanās modeļus (12 augusts 2024) 

Metāliem bagāto zvaigžņu paradokss agrīnajā Visumā (27 septembris 2024)

***