Представьте себе очень далекую галактику, которая называется UHZ1. Она находится на расстоянии 13,2 миллиардов световых лет от нас. Это огромное расстояние! Так далеко, что свет от этой галактики летел к нам 13,2 миллиарда лет.

А возраст нашей Вселенной сейчас около 13,8 миллиардов лет. Получается, мы видим галактику UHZ1 такой, какая она была 13,2 миллиарда лет назад. А это было самое начало жизни Вселенной, когда ей было всего лишь 500 миллионов лет. Представляете, насколько она была молодой и незрелой.

И вот астрономы направили на эту далекую юную галактику свои самые мощные телескопы – Chandra и Webb. И что же они увидели? Они увидели в центре этой галактики огромную черную дыру, которая ярко светилась в рентгеновских лучах.

Черные дыры обычно поглощают весь свет и излучения вокруг себя. Но эта была настолько массивная и активно пожирала вещество вокруг, что ее было видно.

Почему видно именно эту черную дыру? Обычно черные дыры поглощают всё вокруг себя, в том числе свет и излучения. Но эта черная дыра находится на ранней стадии активного роста и пожирает большое количество вещества вокруг себя.

Вот что происходит:
• Черная дыра своим мощным притяжением затягивает окружающий газ, пыль и другое вещество.
• Это вещество втягивается в аккреционный диск вокруг черной дыры и стремительно вращается, разогреваясь до колоссальных температур. • Из-за такого сильного разогрева вещество в диске начинает испускать рентгеновское излучение перед тем, как упасть в черную дыру.

То есть сама черная дыра рентгеновских лучей не испускает. Но горячее вещество вокруг неё излучает в рентгене прямо перед поглощением. Это происходит только на ранней стадии активного роста черной дыры, когда она бурно пожирает материю вокруг себя.

Поэтому, наблюдая интенсивное рентгеновское излучение из центра галактики, астрономы поняли, что там находится растущая черная дыра. И это действительно оказалась самая ранняя и массивная черная дыра из всех, что когда-либо наблюдались.

Хорошо, а как ученые узнали возраст и расстояние до нее? Давайте мы объясним подробно, откуда ученые знают, что возраст Вселенной составляет 13,8 миллиардов лет.

Все началось в 1920-х годах, когда астроном Эдвин Хаббл сделал одно из величайших открытий в космологии. Он выяснил, что далекие галактики удаляются от нашей со скоростью, пропорциональной их расстоянию. Это называется закон Хаббла. Из него следует, что в прошлом Вселенная была более плотной и горячей.

То есть Вселенная расширяется со временем! Значит, в определённый момент в прошлом вся материя сосредотачивалась в одной точке. Это и был момент Большого Взрыва – рождения нашей Вселенной.

Чтобы узнать, когда это произошло, нужно было измерить скорость расширения Вселенной – постоянную Хаббла. Это удалось сделать только в 1990-х годах благодаря наблюдениям далёких сверхновых звёзд. Так определили, что постоянная Хаббла равна примерно 70 км/с на мегапарсек.

Зная скорость расширения, можно вычислить возраст Вселенной. Представим, что Вселенная расширяется как поверхность надувающегося воздушного шарика. Чем больше радиус шарика – тем быстрее он растёт. А по скорости расширения можно определить, сколько времени назад был момент Большого Взрыва, когда радиус шарика был нулевым.

Разные группы учёных проделали эти расчёты в 1990-х годах независимо друг от друга. И все получили примерно один и тот же возраст Вселенной – около 13-15 миллиардов лет!

Кроме того, ученые изучали распространенность разных химических элементов во Вселенной. Их соотношение тоже указывало на возраст около 13,7 миллиардов лет. В итоге, комбинируя разные независимые методы, была получена цифра в 13,8 миллиардов лет. Это самая точная на сегодня оценка возраста нашей Вселенной! Разные наблюдения, в том числе и недавнее открытие древней черной дыры, подтверждают эту величину.

А что внутри? Мы можем только строить теории, опираясь на законы физики. Вот что считают ученые: в центре черной дыры находится особая область – сингулярность. Там гравитация настолько сильна, что все законы физики перестают работать как обычно. В сингулярности вещество сжимается до бесконечной плотности.

Вокруг сингулярности есть так называемый горизонт событий – граница черной дыры, за которой уже ничего не вырваться наружу, даже свету. Это сфера, окружающая сингулярность.

За горизонтом событий находится аккреционный диск – это вещество, которое вращается вокруг черной дыры перед тем, как упасть в неё. Именно в этом диске вещество разогревается до высоких температур и испускает рентгеновские лучи.

Также вокруг черной дыры есть пространство с искривленными законами физики – так называемая эргосфера. Там время и пространство искажены гравитацией черной дыры.

В целом, внутри черной дыры царит экстремальная, невообразимая для нас среда, о которой мы можем судить только по косвенным наблюдениям и теориям.

Считалось, что черные дыры возникают в результате коллапса мертвых звезд. Но изображение телескопа Уэбба, показывающее раннюю Вселенную, намекает на альтернативный путь.

Сколько существует способов покинуть эту вселенную? Возможно, самый известный выход связан со смертью звезды. Роберт Оппенгеймер и его студент Хартленд Снайдер из Калифорнийского университета в Беркли предсказали, что когда у достаточно массивной звезды заканчивается термоядерное топливо, она сжимается внутрь и продолжает сжиматься вечно, сжимая пространство, время и свет вокруг себя в то, что сегодня называется черной дырой.

Но оказывается, что для образования черной дыры может и не понадобиться мертвая звезда. Вместо этого, по крайней мере в ранней Вселенной, гигантские облака первичного газа могли коллапсировать непосредственно в черные дыры, минуя миллионы лет, проведенных в звездном царстве.

К такому предварительному выводу недавно пришла группа астрономов, изучающих UHZ1, пятнышко света, появившееся вскоре после Большого взрыва. На самом деле UHZ1 является (или был) мощным квазаром, который извергал огонь и рентгеновские лучи из чудовищной черной дыры 13,2 миллиарда лет назад, когда Вселенной не было и 500 миллионов лет.

С космической точки зрения, это необычно скоро для того, чтобы столь массивная черная дыра возникла в результате коллапса и слияния звезд. Приямвада Натараджан, астроном из Йельского университета и ведущий автор статьи, опубликованной в Astrophysical Journal Letters, и ее коллеги утверждают, что в UHZ1 они обнаружили новый небесный вид, который они называют сверхмассивной галактикой с черными дырами, или O.B.G. По сути, O.B.G. – это молодая галактика, закрепленная черной дырой, которая слишком быстро стала слишком большой.

Открытие этого не по годам развитого квазара могло бы помочь астрономам решить связанную с этим загадку, которая мучила их на протяжении десятилетий. Почти каждая галактика, видимая в современной Вселенной, похоже, содержит в своем центре сверхмассивную черную дыру в миллионы или миллиарды раз массивнее Солнца. Откуда взялись эти монстры? Могли ли обычные черные дыры стать такими большими и так быстро?

Доктор Натараджан и ее коллеги предполагают, что UHZ1, а следовательно, возможно, и многие сверхмассивные черные дыры, возникли как первичные облака. Эти облака могли коллапсировать в ядра, которые были необычайно тяжелыми – и их было достаточно, чтобы дать толчок росту сверхмассивных галактик с черными дырами. Они являются еще одним напоминанием о том, что Вселенная, которую мы видим, управляется невидимой геометрией тьмы.

Согласно истории, которую астрономы рассказывают сами себе об эволюции Вселенной, первые звезды сконденсировались из облаков водорода и гелия, оставшихся после Большого взрыва. Они горели жарко и быстро, быстро взрываясь и коллапсируя в черные дыры в 10-100 раз массивнее Солнца.

На протяжении эпох из пепла предыдущих звезд формировались последующие поколения звезд, обогащая химию космоса. И черные дыры, оставшиеся после их гибели, продолжали каким-то образом сливаться и расти, превращаясь в сверхмассивные черные дыры в центрах галактик.

К тому моменту, когда Вселенной было примерно 500 миллионов лет, необычная черная дыра уже успела накопить огромную массу. Анализ ее эволюции позволил астрономам сделать вывод о том, как в молодой Вселенной образовывались настолько массивные и при этом древние объекты.

Скопление Пандоры, или Abell 2744, – гигантский кластер галактик, образовавшийся, как предполагают ученые, из одновременного слияния как минимум четырех скоплений. Хотя этот объект интересен сам по себе, его особенности – не единственная причина, почему астрономы уделяют ему много внимания.

Благодаря своей массе скопление действует как гравитационная линза, увеличивая для нас гораздо более далекие галактики, который мы не смогли бы иначе разглядеть доступными инструментами. С помощью телескопа «Джеймс Уэбб» и этого скопления удалось найти 11 таких галактик, сформировавшихся, когда после Большого взрыва прошло меньше миллиарда лет.

Международная группа астрономов решила проверить, есть ли в центре этих объектов сверхмассивные черные дыры, активно поглощающие материю. Такие ядра галактик называют квазарами. От происходящих там процессов исходит сильнейшее рентгеновское излучение, поэтому ученые воспользовались космической рентгеновской обсерваторией «Чандра».

Местоположение одного яркого источника совпало с галактикой UHZ1, которую гравитационная линза увеличила в четыре раза. Мы видим эту галактику с красным смещением z ≈ 10,3, то есть такой, какой она была, когда с Большого взрыва прошло 500 миллионов лет. Судя по количеству энергии и длинам волн, в ее центре находится квазар, скрытый пылью и газом галактики. Но главное тут – его масса.

Массу таких объектов ученые оценивают по их яркости. Чем массивнее объект, тем больше материи он поглощает, тем ярче светится эта материя, замедляясь перед «падением» в черную дыру. Но если излучение будет слишком мощным, оно «сдует», как ветром, окружающую материю, и источник «питания» пропадет. Переломное значение в этом процессе называют эддингтоновской светимостью, или пределом Эддингтона.

Судя по полученным данным, масса черной дыры в UHZ1 как минимум в 10 миллионов раз больше солнечной. И примерно такая же масса у всей ее галактики. В современной Вселенной подобных объектов нет: обычно масса сверхмассивной черной дыры составляет около 0,1% массы ее галактики. По словам авторов исследования, настолько высокая доля у UHZ1 означает, что мы «поймали» этот объект на раннем этапе эволюции.

Существуют две версии, как настолько массивные объекты могли успеть сформироваться в молодой Вселенной. Согласно первой, «зародышами» этих дыр стали остатки чрезвычайно массивных первых звезд, которые со временем набрали массу, поглощая материю. Согласно второй версии, они формировались сразу большими во время гравитационного коллапса космического газового облака.

Опираясь на оценку массы квазара UHZ1 и предполагая, что черная дыра сформировалась через 200 миллионов лет после Большого взрыва, ученые рассчитали ее эволюцию и сделали следующий вывод. Если бы дыра образовалась из умершей звезды, то на протяжении эволюции ей пришлось бы поглощать материю в два раза быстрее, чем позволяет предел Эддингтона. Если же она сформировалась из облака, то ей достаточно было бы поддерживать скорость на уровне этого предела.

Конечно, это первый такой анализ подобного объекта, поэтому к его выводам нужно отнестись с долей скепсиса. О десяти оставшихся галактиках и их рентгеновских наблюдениях ученые пообещали рассказать в другой публикации. Исследование о UHZ1 вышло в журнале Nature Astronomy.

Открытие UHZ1 и сопутствующей ей черной дыры, которая поразительно велика для своего возраста, бросает вызов нашему пониманию космической эволюции. Эти находки являются частью более широкой загадки, связанной с происхождением сверхмассивных черных дыр – невообразимых исполинов, что скрываются в центрах большинства галактик, включая наш Млечный Путь. Загадка становится еще сложнее, если учесть, что эти космические гиганты слишком велики, чтобы образоваться из черных дыр, оставшихся после первого поколения звезд, учитывая возраст Вселенной.

Этот новый класс объектов, который исследователи назвали "галактиками со сверхмассивными черными дырами", может стать ключом к разгадке секретов ранней эволюции Вселенной. Для наблюдения за этими далекими галактиками исследователи использовали рентгеновскую обсерваторию Чандра и космический телескоп Джеймса Уэбб, используя такие космические явления, как гравитационное линзирование, для увеличения и изучения столь далеких объектов.

Последствия этих открытий огромны. Понимание того, как образовались эти ранние сверхмассивные черные дыры, может многое рассказать о темных временах Вселенной и о природе самого космоса. Это также ставит важные вопросы о росте и эволюции галактик и черных дыр на протяжении миллиардов лет.

Хотя эти первые находки многообещающие, они представляют собой лишь вершину космического айсберга в этой области исследований. По мере того как технологии, подобные космическому телескопу Джеймса Уэбба, будут углубляться в прошлое Вселенной, наверняка откроются новые секреты, которые продолжат ставить под сомнение и менять наши представления о космосе.

Данные наблюдений за далекими квазарами, представляющими собой ядра активных галактик, показывают, что некоторые сверхмассивные черные дыры, находящиеся в их центрах, существовали менее чем через 700 миллионов лет после Большого взрыва. До сих пор слабо понятно, как такие черные дыры могли очень быстро набрать массу, поэтому поиск и исследование активно аккрецирующих вещество черных дыр в очень ранней Вселенной (при красном смещении больше 10) может помочь понять природу их зародышей.

В теории предполагается, что зародышами сверхмассивных черных дыр могут быть черные дыры с массами 10−100 масс Солнца, рожденные в результате смерти первых звезд во Вселенной, или черные дыры с массами 10^4−10^5 масс Солнца, образованные в ходе гравитационного коллапса массивных газовых облаков.