Сверхмассивные чёрные дыры (SMBH) могут иметь массу в миллиарды солнечных масс, и наблюдения показывают, что во всех крупных галактиках в их центрах есть такие чёрные дыры. Однако JWST раскрыл фундаментальную космическую загадку.
Мощный космический телескоп, способный наблюдать за древними галактиками в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва, показал нам, что сверхмассивные чёрные дыры уже тогда были чрезвычайно массивными. Это противоречит нашим научным моделям, объясняющим, как эти гиганты стали такими огромными.
Как они стали такими массивными так рано?
Чёрные дыры всех масс в некоторой степени загадочны. Мы знаем, что массивные звёзды могут коллапсировать и образовывать чёрные дыры звёздной массы в конце своего жизненного цикла. Мы также знаем, что пары чёрных дыр звёздной массы могут сливаться, и мы обнаружили гравитационные волны от этих слияний. Поэтому возникает соблазн предположить, что сверхмассивные чёрные дыры также образуются в результате слияния галактик.
Проблема в том, что в ранней Вселенной у чёрных дыр не было достаточно времени, чтобы вырасти настолько большими и часто сливаться, чтобы образовались сверхмассивные чёрные дыры. JWST показал нам ошибки в наших моделях роста чёрных дыр, обнаружив квазары, питаемые чёрными дырами массой 1–10 миллиардов солнечных масс, менее чем через 700 миллионов лет после Большого взрыва.
Астрофизики пытаются понять, как сверхмассивные чёрные дыры стали такими массивными так быстро во Вселенной. Новое исследование под названием «Первичные чёрные дыры как семена сверхмассивных чёрных дыр» пытается восполнить пробел в нашем понимании. Ведущий автор — Франческо Зипаро из Пизанского университета, государственного университета в Италии.
Существует три типа черных дыр: черные дыры звездной массы, черные дыры средней массы (IMBH) и SMBH. Черные дыры звездной массы имеют массы в диапазоне от примерно пяти масс Солнца до нескольких десятков масс Солнца. Малые космические объекты имеют массы в диапазоне от сотен тысяч масс Солнца до миллионов или миллиардов масс Солнца. IMBH находятся посередине, их массы варьируются примерно от ста до ста тысяч масс Солнца.
Исследователи задавались вопросом, могут ли IMBH быть недостающим звеном между чёрными дырами звёздной массы и сверхмассивными чёрными дырами. Однако у нас есть лишь косвенные доказательства их существования.
Существует четвёртый тип чёрных дыр, который в значительной степени является теоретическим, и некоторые исследователи считают, что он может помочь объяснить, почему ранние сверхмассивные чёрные дыры были такими массивными. Они называются первичными чёрными дырами (ПЧД). Условия в очень ранней Вселенной сильно отличались от нынешних, и астрофизики считают, что ПЧД могли образоваться в результате прямого коллапса плотных скоплений субатомной материи. ПЧД образовались до того, как появились звёзды, поэтому они не ограничены довольно узким диапазоном масс чёрных дыр звёздной массы.
"Присутствие сверхмассивных черных дыр в первом космическом кругообороте (гига году) бросает вызов современным моделям формирования и эволюции черной дыры", - пишут исследователи. "Мы предлагаем новый механизм образования ранних зародышей SMBH на основе первичных черных дыр (PBH)".
Зипаро и его соавторы объясняют, что в ранней Вселенной сверхмассивные чёрные дыры должны были скапливаться и формироваться в областях с высокой плотностью, в тех же областях, где возникали гало тёмной материи. Их модель учитывает аккрецию сверхмассивных чёрных дыр и обратную связь, рост гало тёмной материи и динамическое трение газа.
В этой модели сверхмассивные чёрные дыры имеют массу около 30 солнечных масс и находятся в центральной области гало тёмной материи (DM). По мере роста гало барионная материя оседает в их ямах в виде охлаждённого газа. «Сверхмассивные чёрные дыры как поглощают барионы, так и теряют угловой момент из-за динамического трения газа, таким образом собираясь в центральной области потенциальной ямы и формируя плотное ядро», — объясняют авторы. Когда они собираются вместе, происходит неконтролируемый коллапс, в результате которого образуется массивная чёрная дыра. Её масса зависит от начальных условий.
Если эти семена посадить достаточно быстро, они могут объяснить ранние наблюдения JWST за сверхмассивными чёрными дырами.
По мнению авторов, есть способ протестировать эту модель.
«Ожидается, что во время фазы неконтролируемого роста в предлагаемом процессе формирования зародышей слияния PBH-PBH будут обильно генерировать гравитационные волны. Эти предсказания могут быть проверены с помощью будущих наблюдений с помощью телескопа «Эйнштейн» и использованы для ограничения инфляционных моделей», — объясняют они.
«Телескоп Эйнштейна» или «Обсерватория Эйнштейна» — это предложение нескольких европейских исследовательских агентств и учреждений по созданию подземной обсерватории гравитационных волн (ГВ), которая будет основана на успехах лазерных интерферометрических детекторов Advanced Virgo и Advanced LIGO. «Телескоп Эйнштейна» также будет представлять собой лазерный интерферометр, но с гораздо более длинными плечами. В то время как у LIGO плечи длиной 4 км, у «Телескопа Эйнштейна» они будут длиной 10 км. Более длинные плечи в сочетании с новыми технологиями сделают «Телескоп Эйнштейна» гораздо более чувствительным к ГВ.
Телескоп «Эйнштейн» должен открыть окно в гравитационно-волновой мир, охватывающее всё население звёздных и промежуточных по массе чёрных дыр на протяжении всей истории Вселенной. «Телескоп «Эйнштейн» впервые позволит исследовать Вселенную с помощью гравитационных волн на протяжении всей её космической истории вплоть до космологических тёмных веков, проливая свет на нерешённые вопросы фундаментальной физики и космологии», — говорится на сайте «Эйнштейна».
До полного понимания сверхмассивных чёрных дыр ещё далеко, но важно понимать их роль во Вселенной. Они помогают объяснить крупномасштабную структуру Вселенной, влияя на распределение материи в больших масштабах. Тот факт, что они появились во Вселенной намного раньше, чем мы думали, показывает, что нам ещё многое предстоит узнать о сверхмассивных чёрных дырах и о том, как Вселенная эволюционировала до своего нынешнего состояния.
Источник: Universe Today
На изображении:
Художественная иллюстрация сверхмассивной чёрной дыры (SMBH).
Дополнительные материалы
