Новое объяснение маленьких красных точек

Алексей Левин
«Троицкий вариант — Наука» №2 (446), 27 января 2026 года

Оригинал статьи на сайте «Троицкого варианта»

Рис. 1. Изображение двадцати маленьких красных точек в условных цветах (iopscience.iop.org)

Алексей Левин

Группа астрономов из Британии, Дании и Швейцарии, возглавляемая сотрудником Манчестерского университета Вадимом Русаковым, сделала новый шаг в решении проблемы так называемых маленьких красных точек (little red dots, LRDs), возникшей вскоре после начала работы космического телескопа «Джеймс Уэбб». Результаты исследования обнародованы 15 января в Nature¹. Авторы приходят к выводу, что маленькие красные точки — это молодые сверхмассивные черные дыры, окутанные плотным коконом ионизованного газа. Эти выводы укрепляют позиции одного из предшествующих объяснений физической природы этих объектов, которое было опубликовано в конце прошлого года.

«Джеймс Уэбб» (JWST) был запущен европейской ракетой Ariane 5, стартовавшей с космодрома Куру во Французской Гвиане 25 декабря 2021 года. В январе он вышел на расчетную околосолнечную траекторию вблизи второй точки Лагранжа L₂, удаленной на 1,5 млн км от Земли. Его аппаратура заточена на работу в диапазоне длин волн от 600 до 28 500 нм, т. е. от красной части оптического спектра до правой половины среднего инфракрасного диапазона. Поэтому он может вести очень эффективный поиск космических объектов (сверхмассивных звезд первого поколения и самых ранних галактик), рожденных по истечении двухсот с небольшим миллионов лет после Большого взрыва. Из-за расширения Вселенной их свет приходит на Землю с большими красными смещениями, чья верхняя граница лежит в интервале z ≈ 16...17. (Напомню, что если красное смещение космического источника равно z (как его традиционно обозначают), что длина волны дошедшего до Земли излучения превышает длину его волны при испускании в (1 + z) раз.) Первая фотоинформация с телескопа была обнародована 11 июля 2022 года.

Тем же летом телескоп начал регистрировать компактные галактики с характерными размерами не более 2% от диаметра Млечного Пути. Как показало сравнение их красных смещений, в основном лежащих в интервале z ≈ 4...8, они рождались на промежутке от 600 млн до приблизительно 1,5 млрд лет после Большого взрыва. Первые сообщения об этих открытиях были опубликованы в 2023 году. Поскольку свет этих источников имеет наибольшую интенсивность в красной части спектра, их стали почти поэтически называть «маленькими красными точками» (для краткости я буду использовать английскую аббревиатуру LRDs). Уже год назад число открытых LRDs подошло к трем с половиной сотням и продолжает расти. Это особенно примечательно из-за того, что их видимая яркость крайне низкая, и даже сверхчувствительная аппаратура «Джеймса Уэбба» регистрирует их на пределе своих возможностей.

Природа LRDs быстро стала предметом дискуссий, в рамках которых обсуждаются две основные модели (а есть и второстепенные). Одна из них постулирует, что эти объекты представляют собой компактные галактики с аномально большим звездным населением, доходящим до десятков миллиардов светил (для сравнения: число звезд Млечного Пути по современным оценкам, лежит в интервале от 100 до 400 млрд). Оно сконцентрировано в пространстве объемом не более сотых или тысячных долей процента объема нашей галактики. Эта гипотеза объясняет очень высокую светимость новооткрытых галактик, которая позволяет наблюдать их на гигантских космологических дистанциях и не требует дополнительного предположения о наличии у них активных ядер².

Другая модель объясняла такую светимость наличием у этих галактик активных ядер, содержащих черные дыры. Первоначально предполагалось, что их массы могут достигать миллиардов солнечных масс и потому по порядку величины сравнимы с полными массами самих галактик. Вещество, которое аккрецирует на эти ядра, сильно разогревается и потому становится источником мощного электромагнитного излучения. Насколько я знаю, первым такую гипотезу предложил коллектив соавторов, чей руководитель — Дейл Кочевски, профессор физики и астрономии Колби-колледжа в штате Мэн. 31 января 2023 года они поместили свою работу в arXiv.org, а в сентябре появилась и ее журнальная версия³. Правда, тогда они изучили спектры только двух представителей семейства космических объектов, которые позже астрономы назвали маленькими красными точками, однако дальнейшие исследования уже были не за горами. В пользу этой гипотезы говорит большая ширина спектральных линий водорода и гелия, которые содержатся в излучении LRDs. Она свидетельствует о том, что источники этого излучения движутся со скоростями порядка сотен или даже тысяч километров в секунду. Именно этого можно ожидать от атомов горячего газа, заполняющего пространство активных галактических ядер.

Каждая гипотеза имеет свои слабые места. Первая требует признать возможность сверхвысокой звездной плотности в галактиках с большими красными смещениями, чего до их пор никогда не наблюдалось. Пока нет убедительных объяснений того, какие механизмы звездообразования могли бы обеспечить столь интенсивное рождение светил в столь малых объемах, да еще на такой ранней стадии эволюции Вселенной. К тому же возникновение звезд из газовых скоплений требует наличия темной материи, которая регулирует этот процесс своими гравитационными полями. Общепринятые космологические модели позволяют оценить долю массы темной материи в суммарной массе типичных LRDs. Как показывают вычисления, она недостаточна для того, чтобы обеспечить нужный масштаб звездообразования.

Второй гипотезе в ее исходной формулировке противоречит то обстоятельство, что массы известных внутригалактических черных дыр в среднем не превышают 0,1% галактических масс. Из нее также следует, что черные дыры в ядрах LRDs росли аномально быстрыми темпами, в то время как массы звездного населения материнских галактик при этом почти не увеличивались или увеличивались очень медленно. Такой сценарий плохо укладывается в общепринятые модели галактической эволюции. Кроме того, в спектрах LRDs не удается обнаружить четких рентгеновских линий, которые характерны для излучения массивных черных дыр с интенсивной аккрецией окружающего вещества. Также там практически отсутствуют очень типичные для активных галактических ядер излучения радиочастотного диапазона, которые вблизи черных дыр генерируются спиральным движением электронов вокруг магнитных силовых линий.

В конце прошлой осени Дайсабуро Кидо из Токийского университета и его коллеги выступили с очень интересной идеей, которая позволила устранить некоторые слабости чернодырной модели маленьких красных точек⁴. Они модифицировали эту модель, дополнив ее новым компонентом. Согласно их концепции, источником наблюдаемого излучения маленьких красных точек служат не сами черные дыры, а охватывающие их оптически плотные коконы горячего газа с температурой 5000–7000 К и толщиной порядка 0,01 пк. Эти коконы эффективно поглощают аккреционные излучения, включая радио и рентген, из-за чего их и не удается выявить в спектрах LRDs. В результате они сильно нагреваются и делаются источниками теплового излучения, которое «Уэбб» регистрирует в красном оптическом диапазоне. Так что проблему отсутствия радиоволн и рентгена в наблюдаемых спектрах LRDs эта модель успешно решает.

Она также позволяет объяснить совершенно нетипичные для теории галактической эволюции оценки масс черных дыр, которые теория Дейла Кочевски ассоциирует с маленькими красными точками. Дело в том, что масса черной дыры вместе с ее газовой оболочкой может довольно сильно превышать ее собственную массу. Это обстоятельство позволяет откорректировать гипотезу о сверхмассивных черных дырах как источниках излучений LRDs. Как следует из гипотезы Дайсабуро Кидо и его коллег, реальные массы этих дыр значительно меньше первоначальных оценок, в чём и состоит еще одна сильная сторона этой гипотезы.

Как известно, в астрономии любая красивая теория требует подтверждения результатами наблюдений релевантных космических объектов (и, конечно, их анализом). Вадим Русаков и его соавторы получили результаты, которые весьма убедительно подтверждают модель Дейла Кочевски в ее модифицированной версии, предложенной группой Кидо. Правда, их работа не содержит ссылок на статью Кидо и его коллег в Monthly Notices, которая появилась десятью неделями ранее. Это и неудивительно — к моменту публикации этой статьи в прошлом ноябре рукопись команды Русакова без малого десять месяцев лежала в редакции Nature. Однако представленные там результаты вполне согласуются с выводами авторов статьи в Monthly Notices. А это немало.

Члены группы Русакова проанализировали фрагменты спектров двенадцати LRDs с красными смещениями z от 3,4 до 6,7, образованные бальмеровской серией излучения водорода. Эта серия носит имя одного из основателей теоретической спектроскопии, швейцарского физика и математика Иоганна Бальмера, который описал ее математически в 1885 году на основе накопленных к тому времени спектрографических данных. Формула Бальмера позволяет вычислить длины волн фотонов, которые рождаются при переходах орбитальных электронов водорода на второй энергетический уровень с вышележащих уровней с бóльшими номерами. Точнее, Русаков и его коллеги ограничились линией H_α, которая соответствует переходам с третьего на второй уровень. Это самая длинноволновая линия бальмеровской серии, ее длина волны равна 656,28 нм. Она лежит в видимой части спектра, как и три следующие линии H_β, H_γ и H_δ. В 1888 году доцент Лундского университета Йоханнес Ридберг обобщил работу Бальмера и вывел формулу (позже названную его именем), которая полностью описывает основную структуру линейчатых спектров водорода и водородоподобных атомов. Четверть века спустя Нильс Бор получил формулу Ридберга как следствие свой квантовой модели водородного атома.

Еще через три года профессор физики Мюнхенского университета Арнольд Зоммерфельд показал, что релятивистские эффекты расщепляют ридберговские уровни водородного спектра на ряд подуровней, которые принято называть тонкой структурой излучения водорода. В этой работе Зоммерфельда впервые появилась безразмерная комбинация заряда электрона, постоянной Планка и скорости света

\( \alpha = \frac{2\pi e^2}{hc} \approx \frac{1}{137} \)

которая, как выяснилось позднее, определяет силу электромагнитного взаимодействия. Численно эта величина, так называемая постоянная тонкой структуры, почти точно равна 1/137, что много лет служило основанием для разного рода нумерологических спекуляций.

Авторы статьи в Nature детально изучили приходящее от маленьких красных точек излучение линии H_α (стоит отметить, что она и вообще интенсивно используется при исследовании маленьких красных точек). Если предположить, что фотоны, которые рождаются при аккреции вещества на черную дыру, доходят до земных спектрометров без дальнейшего рассеивания, то зависимость интенсивности этого излучения от частоты должна ложиться на классическую гауссиану, которая возникает из-за доплеровского уширения спектральных линий (левая диаграмма на рис. 2). Если же новорожденные световые кванты перед выходом в практически свободное от материи космическое пространство претерпевают многократное рассеивание на электронах толстого слоя горячего ионизированного газа, окружающего черную дыру, ситуация заметно меняется. Такое рассеивание тоже вызывает уширение спектров, однако зависимость интенсивности от частоты в этом случае описывается экспоненциальными кривыми, которые при пересечении в точке максимума дают острый пик. Именно такие пики и обнаружили Русаков и его соавторы (правая диаграмма на рис. 2). Их результат вполне согласуется с той моделью LRDs, к которой пришли Кидо и его коллеги.

Рис. 2. Инфографика, иллюстрирующая исследование Вадима Русакова и его коллег. Иллюстрация из статьи в Nature

Русаков со товарищи сделали даже больше. Они отделили от наблюдавшихся спектров двенадцати LRDs вклад искажений, возникающих из-за рассеяния света на газовых коконах черных дыр. В результате они получили колоколообразные гауссианы, параметры которых позволили оценить массы этих дыр. Оказалось, что те измеряются не миллиардами солнечных масс, как считалось раньше, а только сотнями тысяч, миллионами или — самое большее — десятками миллионов. Эта оценка вполне согласуется с приведенной выше статистикой зависимости масс черных дыр в активных галактических ядрах от полных масс галактик.

Авторы статьи в Nature также пришли к выводу, что размеры реальных источников выходящего в космос света маленьких красных точек (т. е., напомню, горячих газовых оболочек черных дыр) по порядку величины равны 0,1 пк, что вполне совпадает с оценкой группы Кидо. Они также вычислили среднюю скорость движения частиц в этих оболочках, которая составила 300 км/с. Наконец, они показали, что максимум полной светимости LRDs по порядку величины равен суммарной яркости 250 млрд звезд солнечного типа.

Разумеется, выводы групп Дайсабуро Кидо и Вадима Русакова отнюдь не окончательны. В конце концов, маленькие красные точки изучают совсем недавно, всего-то с 2022 года. Чтобы ученые смогли окончательно разобраться в их физической природе, предстоит выполнить немало новых наблюдений и со всем тщанием проанализировать результаты. В конце концов истина будет установлена, как и всегда случается в прекрасной науке астрономии.

Интересно, что маленькие красные точки со временем потеряют право на это название. По космологическим понятиям, они весьма молоды — точнее, были молодыми, когда испустили свет, который в конце концов дошел до «Уэбба». Теория утверждает, что черные дыры этих галактик позднее лишились своих газовых коконов, которые постепенно рассеялись в пространстве. Поскольку галактические ядра тогда содержали достаточно вещества для продолжения интенсивной аккреции, они превратились в нормальные квазары и начали посылать в космос излучение, содержащее и рентген, и радиоволны. Когда-нибудь его станут регистрировать земные телескопы — только вот ждать этого придется сотни миллионов или даже миллиарды лет.

¹ Rusakov V. et al. Little red dots as supermassive black holes in dense ionized cocoons // Nature, 2026, Vol. 649, 574–578.

² Baggen  J. F. W. et al. The small sizes and high implied densities of “Little Red Dots” with Balmer breaks could explain their broad emission lines without an active galactic nucleus // Astrophysical Journal Letters, 2024, 977, L13.

³ Kocevski D. D. et al. Hidden Little Monsters: Spectroscopic Identification of Low-mass, Broad-line AGNs at z > 5 with CEERS // Astrophysical Journal Letters, 2023, 954, L4.

⁴ Kido D. et al. Black Hole Envelopes in Little Red Dots // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2025, 544(4), 3407–3416.