На изображении телескопа Джеймса Уэбба виден квазар J0148, обведенный красным. Две вставки показывают центральную черную дыру вверху и звездное излучение родительской галактики внизу. Фото предоставлено: Массачусетский технологический институт/НАСА.
Для формирования сверхмассивных черных дыр, подобных той, что находится в центре нашего Млечного Пути, требуется много времени. Обычно для рождения черной дыры гигантская звезда с массой не менее 50 наших солнц должна сгореть — процесс, который может занять миллиард лет — и коллапсировать ее ядро.
Тем не менее, получившаяся черная дыра с массой всего около 10 солнечных масс очень далека от черной дыры Стрельца А* с массой 4 миллиона солнечных масс в нашем Млечном Пути или миллиардов сверхмассивных черных дыр с массой Солнца в других галактиках. Такие гигантские черные дыры могут образовываться из меньших черных дыр в результате накопления газа и звезд, а также в результате слияния с другими черными дырами, что занимает миллиарды лет.
Почему космический телескоп Джеймса Уэбба обнаружил сверхмассивные черные дыры почти в начале времен, за тысячелетия до того, как они могли образоваться? У астрофизиков из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе есть ответ, столь же загадочный, как и сами черные дыры: темная материя препятствовала охлаждению водорода достаточно долго, чтобы гравитация конденсировала его в облака, большие и достаточно плотные, чтобы сформироваться в черные дыры, а не трансформировать звезды. Открытие было опубликовано в журнале Physical Review Letters.
«Было действительно удивительно обнаружить сверхмассивную черную дыру с миллиардом солнечных масс, хотя самой Вселенной всего полмиллиарда лет», — сказал ведущий автор Александр Кусенко, профессор физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Это все равно, что найти современную машину среди костей динозавров и задаться вопросом, кто построил эту машину в доисторические времена».
Некоторые астрофизики предположили, что большое облако газа может коллапсировать и напрямую образовать сверхмассивную черную дыру, минуя долгую историю звездных горений, аккреций и слияний. Но есть одна загвоздка: гравитация на самом деле стягивает большое облако газа, но не в одно большое облако. Вместо этого он собирает кусочки газа в небольшие гало, которые плавают рядом друг с другом, но не образуют черную дыру.
Причина этого в том, что газовое облако остывает слишком быстро. Пока газ горячий, его давление может противодействовать гравитации. Однако по мере охлаждения газа давление снижается, и гравитация может взять верх на многих небольших участках, схлопываясь в плотные объекты, прежде чем гравитация сможет сжать все облако в одну черную дыру.
«Как быстро охлаждается газ, во многом зависит от количества молекулярного водорода», — сказал первый автор и докторант Ифань Лу. «Атомы водорода, связанные вместе в молекуле, выделяют энергию, когда они сталкиваются с свободным атомом водорода. Молекулы водорода становятся хладагентами, потому что они поглощают и излучают тепловую энергию. Водородные облака в ранней Вселенной содержали слишком много молекулярного водорода, и газ быстро охлаждался и образовывался. маленькие ореолы вместо больших облаков».
Лу и научный сотрудник Закари Пикер написали программу для расчета всех возможных процессов в этом сценарии и обнаружили, что дополнительное излучение может нагревать газ и диссоциировать молекулы водорода, изменяя способ охлаждения газа.
«Когда вы добавляете излучение в определенном энергетическом диапазоне, оно разрушает молекулярный водород и создает условия, которые предотвращают фрагментацию больших облаков», — сказал Лу.
Но откуда берется радиация?
Лишь очень небольшая часть материи во Вселенной состоит из тех, что составляют наши тела, наши планеты, звезды и все остальное, что мы можем наблюдать. Большая часть материи, обнаруженной в результате гравитационного воздействия на звездные объекты и дифракции световых лучей от далеких источников, состоит из некоторых новых частиц, которые ученые еще не идентифицировали.
Таким образом, формы и свойства темной материи являются загадкой, которую еще предстоит разгадать. Хотя мы не знаем, что такое темная материя, теоретики элементарных частиц уже давно предполагают, что она может содержать нестабильные частицы, которые могут распадаться на фотоны, частицы света. Включение этой темной материи в моделирование обеспечило излучение, необходимое для того, чтобы газ оставался в большом облаке, пока он коллапсирует в черную дыру.
Темная материя может состоять из частиц, которые медленно распадаются, или же она может состоять из более чем одного типа частиц: некоторые из них стабильны, а другие распадаются раньше. В обоих случаях продуктом распада может быть излучение в виде фотонов, которые расщепляют молекулярный водород и не дают водородным облакам слишком быстро остывать. Даже очень небольшой распад темной материи производит достаточно излучения, чтобы предотвратить охлаждение, создавая большие облака и, в конечном итоге, сверхмассивные черные дыры.
«Это может объяснить, почему сверхмассивные черные дыры обнаруживаются очень рано», — сказал Пикер. «Если быть оптимистом, то это можно также интерпретировать как положительное свидетельство существования какой-то темной материи. Если бы эти сверхмассивные черные дыры образовались в результате коллапса газового облака, возможно, необходимое дополнительное излучение должно было бы исходить от неизвестной физики темный сектор».
Информация от: Калифорнийским университетом в Лос-Анджелесе.
