В архивных данных телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST) астрономы обнаружили объект, который может стать ключом к разгадке происхождения сверхмассивных чёрных дыр. Среди двух колец, образованных столкновением галактик, находится активная чёрная дыра — но не в каком-либо из ядер, как ожидалось, а прямо между ними, внутри облака ионизированного водорода. Исследователи предполагают, что она возникла здесь сравнительно недавно, прямо из газа — минуя стадию звезды. Если это подтвердится, речь идёт о первом возможном наблюдении прямого коллапса — процесса, существование которого до сих пор оставалось лишь гипотезой.

Галактика, получившая неофициальное название «Бесконечность» (по форме, напоминающей символ ∞), находится на расстоянии около 8,5 миллиардов световых лет. От столкновения остались два чрезвычайно компактных звёздных ядра, каждое окружено кольцом. Такое строение встречается редко, но объяснимо — куда необычнее оказалось то, что между кольцами, в центре симметрии, находится активное ядро — источник яркого рентгеновского и радиосигнала.

Галактика «Бесконечность». Два ядра спиральных галактик представлены жёлтым цветом внутри колец. Светящийся водород, лишённый своих электронов между двумя галактиками, выглядит зелёным. Источник: NASA, ESA, CSA, STScI, P. van Dokkum (Yale University)

По данным наблюдений в инфракрасном диапазоне (JWST), рентгеновского (по данным телескопа «Чандра») и радиодиапазона (наблюдения массива Very Large Array), это ядро — активно растущая чёрная дыра массой около миллиона Солнц. Оно расположено не только строго между двумя звёздными ядрами, но и движется с такой же скоростью, как окружающий газ, что исключает возможность того, что это просто блуждающая или выброшенная чёрная дыра. 

Именно в этом регионе также наблюдается яркое излучение в линии H-альфа (Hα) — специфическая спектральная линия излучения водорода — характерный признак плотной, активной ионизированной среды. По мнению авторов, эти условия могли возникнуть во время столкновения галактик. Газовые потоки были сжаты и нагреты ударными волнами, что могло привести к формированию плотного газового узла, который обрушился под собственной гравитацией — не формируя звёзд, а сразу превратившись в чёрную дыру. Такой сценарий известен как прямой коллапс и давно рассматривается как возможный механизм образования «тяжёлых семян» — чёрных дыр, которые могли вырасти до миллиардных масс уже в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва.

 Изображение галактики «Бесконечность», полученное камерой NIRCam космического телескопа «Джеймс Уэбб», наложено на контурную карту данных, полученных с радиотелескопа Very Large Array. Центральная точка радиоизлучения идеально совпадает с центром светящегося газа, обнаруженного в инфракрасном диапазоне между двумя ядрами галактик. Источник: NASA, ESA, CSA, STScI, P. van Dokkum (Yale University)

Чтобы подтвердить эту гипотезу, учёные провели дополнительные наблюдения с помощью «Джеймса Уэбба». Они показали, что чёрная дыра действительно находится в центре распределения горячего газа, её скорость совпадает со скоростью окружающей среды и оба видимых галактических ядра содержат собственные активные сверхмассивные чёрные дыры. Таким образом, в системе действуют сразу три чёрные дыры — и одна из них, возможно, только что появилась.

Авторы подчёркивают: пока это не окончательное доказательство прямого коллапса. Но альтернативные сценарии — вроде выброшенной чёрной дыры или скрытого третьего ядра — теперь маловероятны. Впервые астрономам удалось наблюдать условия, в которых может родиться сверхмассивная чёрная дыра прямо из газа — без участия звёзд. Это открывает путь к пониманию, как столь массивные чёрные дыры могли появиться в молодой Вселенной.

Подробнее на iXBT