Звезди с черни дупки: Решение на космическа загадка

Представете си звезда с толкова невероятни размери, че спокойно може да побере цялата Слънчева система. Тази чудовищна звезда е по-ярка от цяла галактика с трилион звезди в нея, а в нейното ядро се намира огромна масивна черна дупка. Звучи невероятно, нали? Само няколко стотин милиона години след Големия взрив такива космически обекти може би са съществували и са ключът към една от най-големите мистерии в космологията.

Идеята за звезда с черна дупка в центъра изглежда шантава и противоречи на стандартния модел за формирането на черни дупки. Според общоприетата теория, черните дупки се образуват, когато голяма звезда изчерпи горивото си и ядрените реакции вече не могат да удържат на гравитацията. Последното място, където бихме очаквали да намерим черна дупка, е в ядрото на функционираща звезда.

Загадката на ранните свръхмасивни черни дупки

Едва милиард години след началото на Вселената вече е имало свръхмасивни черни дупки с маса 10 милиарда пъти по-голяма от тази на нашето Слънце. За тях знаем благодарение на квазарите – изключително ярки космически обекти, чиято светлина е излъчена от нагорещения газ, потъващ в свръхмасивна черна дупка. Тази светлина пътува до нас близо 13 милиарда години.

Големият въпрос, който озадачава учените от десетилетия, е: как тези невероятни черни дупки са имали време да се формират толкова скоро след Големия взрив? Множество научни екипи се опитват да отговорят на този въпрос, но според никоя компютърна симулация няма как за само един милиард години черна дупка да достигне маса милиарди пъти по-голяма от тази на Слънцето по конвенционалните механизми.

Нова теория на Митчел Бегелман

Търсейки отговор на тази загадка, Митчел Бегелман от Университета Колорадо се обръща към идея, първоначално предложена от Фред Хойл и Уили Фаулър още през 1963 година. Те са се опитвали да обяснят радиолъчението от някои галактики с наличието на гигантски звезди в центровете им. Макар че тяхната конкретна хипотеза се оказала грешна, идеята за чудовищно голяма звезда вдъхновила Бегелман за нови изследвания.

Изучавайки теоретичната еволюция на такава потенциална звезда, Бегелман открива нещо невероятно. Всички математически уравнения доказват, че ако материалът, образуващ звездата, започне да се свива под силата на гравитацията прекалено бързо, може да се формира звезда с черна дупка в ядрото.

Механизъм на формиране

Ключът към формирането на такъв необичаен обект е скоростта на свиване на звездния материал. Когато веществото потъва навътре, то произвежда шокова вълна, която загрява околните газове. Тези газове се разширяват към външните региони на звездата и изстиват. Заради рязко спадащата температура се образуват два обекта в един – зародиш на звезда в центъра и външна обвивка от по-студен газ.

Когато външният материал продължава да потъва навътре, новата маса смачква още повече звездата и температурата се покачва допълнително. Когато тя достигне критичните 500 милиона градуса по Целзий, звездата става достатъчно гореща, за да позволи на фотоните светлина спонтанно да се превръщат в двойки електрони и позитрони.

От звезда към черна дупка

Двете противоположни частици – електроните и позитроните – се анихилират взаимно, при който процес също се образуват частици и античастици. Сред тях са неутрино и антинеутрино. Тези частици почти не взаимодействат с обикновената материя и затова бързо отнасят топлината от звездата.

Охлаждането спира ядрените реакции и звездата вече не може да удържа собствената си гравитация. Така се формира черна дупка, вградена в газова обвивка. Когато тази обвивка започне да потъва в черната дупка, се излъчва изключително ярка светлина – това, което ние наблюдаваме и наричаме квазар. Същевременно черната дупка расте с невероятна скорост. Според изчисленията на учените, черна дупка в центъра на звезда ще може да увеличава масата си 10 до 100 пъти по-бързо от обикновена черна дупка.

Еволюция на звездите с черни дупки

Естествено, черната дупка не остава завинаги в своята звездна обвивка. Когато газът вътре се охлади до около 4000 градуса, падът на йонизацията предизвиква експлозия, която изхвърля обвивката и разкрива гола свръхмасивна черна дупка. На този етап тя вече има маса 1000 до 10 000 пъти по-голяма от тази на Слънцето и продължава да се храни от обикновен междузвезден газ.

Бегелман си представя звезди с черни дупки, достигащи маса от 100 милиона до милиард слънчеви маси. Такова космическо чудовище би имало радиус, простиращ се отвъд орбитата на Плутон, и би било по-ярко от целия Млечен път. Тези обекти биха могли да обяснят как само за милиард години след Големия взрив вече са съществували свръхмасивни черни дупки.

Критики и предизвикателства пред теорията

Макар теорията на Бегелман да има своите поддръжници, не всички учени са еднакво ентусиазирани. Един от основните проблеми е въпросът къде биха могли да се формират такива необичайни обекти. Според общоприетия космологичен модел, първите звезди са се появили в малки газови ареоли, които впоследствие еволюират в първите галактики. Такъв газов облак обаче не би имал нужното гравитационно привличане, за да концентрира газ достатъчно бързо за формирането на звезда с черна дупка.

Критиците посочват и други предизвикателства пред хипотезата. Въпреки това, най-добрият начин Бегелман да убеди скептиците е просто да открие такива звезди. Това обаче няма да е лесна задача и изисква мощни телескопи, способни да наблюдават ранната Вселена.

Търсене на доказателства

Наблюдателните доказателства за съществуването на звезди с черни дупки биха могли да дойдат от космическия телескоп „Джеймс Уеб“, който бе изстрелян през 2021 година. Според Бегелман, би трябвало да се вижда поне по една такава звезда във всяко наблюдение на дълбокия космос с този телескоп. Проблемът е да се различат от други обекти, като близки кафяви джуджета, силно изместени към червения спектър стари звезди или всичко, което излъчва силно в инфрачервени вълни.

Съществува и друга възможност за откриване на тези загадъчни обекти. Според Бегелман, в първите 100 000 години от живота на тези звезди, преди да се формира самата черна дупка, ултравиолетовата светлина от тях би могла да йонизира околния водороден газ, който не излъчва радиовълни, за разлика от самата звезда. Така звездите с черни дупки биха изглеждали като „дупки“ в радиокартата на небосвода. За такива наблюдения обаче са необходими мощни радиотелескопи като проекта Square Kilometre Array.

Значение за съвременната космология

Рядко в съвременната астрономия някой предлага изцяло нов тип космически обект, но звездите с черни дупки биха могли да бъдат именно това – липсващото звено в космологията. Те биха предложили правдоподобно обяснение за наличието на свръхмасивни черни дупки в прекалено ранен стадий на Вселената.

Ако теорията на Бегелман се потвърди, това не само ще разреши една от най-дълготрайните загадки в космологията, но и ще промени фундаментално разбирането ни за еволюцията на Вселената. Звездите с черни дупки представляват напълно нов клас астрономически обекти, които биха могли да изиграят решаваща роля в историята на космоса.

Докато чакаме нови наблюдателни данни от съвременните телескопи, теорията за звездите с черни дупки продължава да интригува учените и да предлага елегантно решение на един от най-сложните астрономически проблеми.