В ранней Вселенной впервые обнаружены «семена» черной дыры

Астрономы, возможно, обнаружили первые свидетельства «семян» тяжелых черных дыр в ранней Вселенной.

Эти, так называемые, семена могут помочь объяснить, как некоторые сверхмассивные черные дыры с массой, эквивалентной массе в миллионы или даже миллиарды масс Солнца, могли расти так быстро, чтобы существовать менее чем через 1 миллиард лет после Большого взрыва.

Семена тяжелых черных дыр — это черные дыры с массой примерно в 40 миллионов раз больше, чем у нашего Солнца. Считается, что они образуются в результате прямого коллапса массивного облака газа, в отличие от типичной черной дыры, которая рождается, когда массивная звезда достигает конца своей жизни и коллапсирует под действием собственной гравитации. Галактики, которые, как предполагается, содержат такие семена тяжелых черных дыр, называются галактиками огромных черных дыр (OBG).

Эти галактики очень далеки, и их можно увидеть в наш телескоп такими, какими они были, когда нашей Вселенной, возраст которой составляет 13,8 миллиарда лет, было где-то около 400 миллионов лет. И теперь ученые, возможно, наконец идентифицировали один из этих OBG.

Команда, возглавляемая исследователем Центра астрофизики Гарвардского и Смитсоновского институтов Акосом Богданом, впервые обнаружила объект с массой, характерной для черных дыр, при исследовании квазара с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) и рентгеновской обсерватории НАСА Chandra. Квазары, питаемые сверхмассивными черными дырами, представляют собой чрезвычайно яркие и активные сердца галактик. На самом деле они могут быть настолько яркими, что затмевают объединенный свет каждой отдельной звезды в галактике, в которой они находятся. Тот, кого изучают Богдан и его коллеги-исследователи, находится в галактике под названием UHZ1.

И, как оказалось, данные JWST и Chandra относительно UHZ1 соответствовали тому, что можно было бы ожидать от OBG. Команда обнаружила рентгеновское излучение, подключившись к Chandra, и это излучение указывало на питающуюся или «срастающуюся» черную дыру, связанную с квазаром.

Исследователи также сравнили свои наблюдения с моделированием быстрого роста зародышей тяжелых черных дыр и обнаружили, что между ними есть хорошее совпадение. Наилучшее совпадение, которое они нашли во время этого сравнения, было с семенем массой 10 000 солнечных, которое росло в течение нескольких сотен миллионов лет.

«Основываясь на отличном совпадении наблюдаемых многоволновых свойств UHZ1 с предсказаниями шаблона теоретической модели, мы предполагаем, что UHZ1 является первым обнаруженным кандидатом в OBG при условии спектроскопического подтверждения его красного смещения», — написали авторы в статье, объясняющей открытие.

Как тяжелые семена ускоряют рост черных дыр

Огромный размер сверхмассивных черных дыр не слишком беспокоит ученых. Это потому, что у этих космических титанов были миллиарды лет, чтобы расти, питаясь окружающим газом и пылью, а также сливаясь с другими черными дырами.

Но поскольку эти механизмы роста, по оценкам, длятся в течение миллиардов лет, открытие подобных сверхмассивных черных дыр, существовавших в период от 500 миллионов до всего лишь миллиарда лет после Большого взрыва, является необъяснимым. Не было времени, необходимого для создания таких гигантских черных дыр. Тем не менее, это именно то, что обнаружили астрономы, изучающие раннюю Вселенную с помощью JWST и других инструментов. 

«Это все равно что увидеть семью, идущую по улице, где есть два полутораметровых подростка, но с ними также есть полутораметровый младенец. Это проблема: как малыш стал таким высоким? - спрашивает Джон Рейган, научный сотрудник Университета Мейнут, который не участвовал в этом исследовании. - То же самое относится и к сверхмассивным черным дырам во Вселенной. Как они так быстро стали такими массивными?»

Что ж, одна из теорий состоит в том, что эти черные дыры получили фору в своих процессах аккреции массы, вырастая из «семени» черной дыры меньшего размера.

В этом отношении преобладают два направления мысли. С одной стороны, эксперты предполагают, что сверхмассивные черные дыры могли вырасти из семян легких черных дыр с массой от 10 до 100 масс Солнца. Теоретически эти световые семена должны родиться посредством стандартного механизма создания черных дыр звездной массы, а именно смерти и коллапса первого поколения звезд во Вселенной.  

С другой стороны, ранние сверхмассивные черные дыры могли вырасти из тяжелых затравочных черных дыр с огромной массой, примерно в 100 000 раз превышающей массу Солнца. Они образовались бы непосредственно в результате коллапса массивных облаков материи, полностью минуя «звездную стадию» других черных дыр. Астрономы называют такие черные дыры черными дырами прямого коллапса (DCBH).

Эти DCBH могли затем расти вместе с галактическими слияниями, которые были обычным явлением в ранней Вселенной, что также принесло бы запасы газа и пыли. Затем, в конце концов, другие черные дыры могли столкнуться и слиться с ними.