Сверхмассивные черные дыры (СМЧД) могут иметь миллиарды солнечных масс, и данные наблюдений показывают, что все крупные галактики имеют такую массу в своих центрах. Однако JWST раскрыл фундаментальную космическую тайну. Мощный космический телескоп, способный наблюдать древние галактики в первый миллиард лет после Большого взрыва, показал нам, что даже тогда сверхмассивные черные дыры были чрезвычайно массивными. Это противоречит нашим научным моделям, объясняющим, как эти гиганты стали такими огромными.
Как они стали такими массивными так рано?
Черные дыры любой массы загадочны. Мы знаем, что массивные звезды могут коллапсировать и образовывать черные дыры звездной массы на позднем этапе своей жизни. Мы также знаем, что пары черных дыр звездной массы могут сливаться, и мы обнаружили гравитационные волны от этих слияний. Итак, заманчиво думать, что сверхмассивные черные дыры также растут за счет слияний, когда галактики сливаются вместе.
Проблема в том, что в ранней Вселенной у черных дыр не было достаточно времени, чтобы вырасти достаточно большими и слиться достаточно часто, чтобы образовать сверхмассивные черные дыры. JWST показал нам ошибки в наших моделях роста черных дыр, обнаружив квазары, питаемые черными дырами массой 1–10 миллиардов солнечных, менее чем через 700 миллионов лет после Большого взрыва.
Астрофизики заняты попытками понять, как сверхмассивные черные дыры так скоро стали такими массивными во Вселенной. Новое исследование под названием «Первичные черные дыры как семена сверхмассивных черных дыр» пытается заполнить пробел в нашем понимании. Ведущий автор — Франческо Зипаро из Scuola Normale Superiore di Pisa, государственного университета в Италии.
Существует три типа черных дыр: черные дыры звездной массы, черные дыры промежуточной массы (ЧДД) и сверхмассивные черные дыры. Черные дыры звездной массы имеют массы от примерно пяти солнечных масс до нескольких десятков солнечных масс. Массы СМЧД варьируются от сотен тысяч солнечных масс до миллионов или миллиардов солнечных масс. Промежуточное положение занимают IMBH с массами от ста до ста тысяч солнечных масс. Исследователи задались вопросом, могут ли IMBH быть недостающим звеном между черными дырами звездной массы и SMBH. Однако у нас есть лишь косвенные доказательства их существования.
Существует четвертый тип черной дыры, который в основном является теоретическим, и некоторые исследователи полагают, что он может помочь объяснить, почему ранние сверхмассивные черные дыры были такими массивными. Их называют первичными черными дырами (ПЧД). Условия в самой ранней Вселенной сильно отличались от нынешних, и астрофизики полагают, что ПЧД могли образоваться в результате прямого коллапса плотных карманов субатомной материи. ПЧД образовались до того, как появились звезды, поэтому не ограничиваются довольно узким диапазоном масс черных дыр звездной массы.
«Присутствие сверхмассивных черных дыр в первом космическом году (гигалет) бросает вызов современным моделям формирования и эволюции Ч.Д.», — пишут исследователи. «Мы предлагаем новый механизм формирования ранних зародышей СМЧД на основе первичных черных дыр (ПЧД)».
Зипаро и его соавторы объясняют, что в ранней Вселенной ПЧД группировались и формировались в регионах с высокой плотностью, в тех же регионах, где возникли гало темной материи. Их модель учитывает аккрецию и обратную связь ПЧД, рост гало темной материи и динамическое газовое трение.
В этой модели ПЧД имеют массу около 30 солнечных и находятся в центральной области гало темной материи (ТМ). По мере роста гало барионная материя оседает в их ямах в виде охлажденного газа. «ПЧД как аккрецируют барионы, так и теряют угловой момент вследствие динамического трения о газ, таким образом собираясь в центральной области потенциальной ямы и образуя плотное ядро», — объясняют авторы. После объединения происходит безудержный коллапс, который в конечном итоге превращается в массивную черную дыру. Его масса зависит от начальных условий.
Посаженные достаточно скоро, эти семена могут объяснить ранние сверхмассивные черные дыры, которые наблюдал JWST.
По словам авторов, есть способ протестировать эту модель.
«Ожидается, что на начальной стадии предполагаемого процесса формирования зародышей слияния PBH-PBH будут обильно излучать гравитационные волны. Эти предсказания могут быть проверены с помощью будущих наблюдений телескопа Эйнштейна и использованы для ограничения инфляционных моделей», — объясняют они.
Телескоп Эйнштейна или Обсерватория Эйнштейна — это предложение нескольких европейских исследовательских агентств и институтов о создании подземной гравитационно-волновой (ГВ) обсерватории, которая будет опираться на успех лазерно-интерферометрических детекторов Advanced Virgo и Advanced LIGO. Телескоп Эйнштейна также будет лазерным интерферометром, но с гораздо более длинными плечами. В то время как у LIGO есть рукава длиной четыре километра, у Эйнштейна были бы рукава длиной 10 километров. Эти более длинные руки в сочетании с новыми технологиями сделают телескоп гораздо более чувствительным к гравитационным волнам.
Телескоп Эйнштейна должен открыть окно GW во всю популяцию звездных и черных дыр промежуточной массы за всю историю Вселенной. «Телескоп Эйнштейна впервые позволит исследовать Вселенную с помощью гравитационных волн на протяжении всей ее космической истории вплоть до космологических темных веков, проливая свет на открытые вопросы фундаментальной физики и космологии», — говорится на сайте Эйнштейна.
До полного понимания сверхмассивных черных дыр еще далеко, но понимать их важно из-за их роли 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 считали возможным, показывает, что нам еще многое предстоит узнать о сверхмассивных черных дырах и о том, как Вселенная развилась до того состояния, в котором она находится сейчас.
