Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) продолжает находить сверхмассивные черные дыры (SMBH) в ранней Вселенной. Они находятся в активных ядрах галактик, которые были обнаружены всего через 500 000 лет после Большого взрыва. Это было задолго до того, как астрономы подумали, что они могут существовать. Что происходит?
Монстры-черные дыры, подобные тем, что находятся в сердце галактик, требуют очень много времени, чтобы вырасти до таких размеров. Они могут начать как более мелкие, поглощающие близлежащие звезды и газы, или они могут расти, сливаясь с другими сверхмассивными черными дырами. Обычно для того, чтобы образовать что-то столь же массивное, как четырехмиллионная масса Солнца в сердце нашей Галактики Млечный Путь, требуются миллиарды лет и много материала. Для действительно больших, содержащих десятки миллионов звездных масс, требуется еще больше времени.
JWST обнаружил много сверхмассивных чёрных дыр, которые уже кажутся «старыми» и массивными менее чем через миллиард лет после Большого взрыва. Это не случайность наблюдений — они действительно там.
«Как удивительно было обнаружить сверхмассивную черную дыру с массой в миллиард солнечных, когда самой Вселенной всего полмиллиарда лет», — сказал астрофизик Александр Кусенко, профессор физики и астрономии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Это как найти современный автомобиль среди костей динозавра и задаться вопросом, кто построил этот автомобиль в доисторические времена».
Создание сверхмассивных черных дыр в древние времена
Итак, что же создало сверхмассивные черные дыры на столь раннем этапе космической истории? Одним из очевидных процессов является смерть первых звезд населения III, которые начали формироваться, как только молодая Вселенная остыла достаточно для того, чтобы они могли объединиться. Они были массивными, бедными металлами (то есть у них не было элементов тяжелее гелия) и недолговечными. Когда они умирали как сверхновые, они образовывали черные дыры звездной массы. Возможно, эти ранние звезды слились и стали больше.
Другое предположение — так называемый «гравотермический» коллапс самовзаимодействующих гало темной материи. По сути, это означает отрицательную передачу тепла внутри системы. Это может привести к коллапсу черной дыры, и оттуда она могла бы вырасти.
Астрономы также рассматривали участие первичных черных дыр, созданных в моменты после Большого взрыва. Эти теоретические маломассивные черные дыры могли образоваться в особых условиях, когда плотные области пространства быстро коллапсировали. Как сверхмассивные черные дыры образовались из первичных черных дыр, на данный момент не понятно. Так есть ли другая теория формирования?
Вот тут-то темная материя и вступает в игру. Кусенко и его коллеги углубились в идею коллапса под влиянием темной материи. Они обнаружили, что если темная материя распадается, она играет роль в «загоне» облака водородного газа. Она не будет фрагментироваться (как это обычно происходит с облаками). В конечном итоге это может привести к относительно быстрому образованию сверхмассивной черной дыры. Поскольку есть доказательства влияния темной материи в ранней Вселенной, это может объяснить чудовищные черные дыры в самые ранние эпохи космической истории.
От облака к образованию черной дыры посредством темной материи?
Конечно, для этого должны быть подходящие условия. «То, как быстро остывает газ, во многом зависит от количества молекулярного водорода», — сказал докторант Ифань Лу, первый автор статьи, описывающей идею темной материи. «Атомы водорода, связанные вместе в молекуле, рассеивают энергию, когда сталкиваются со свободным атомом водорода. Молекулы водорода становятся охлаждающими агентами, поскольку они поглощают тепловую энергию и излучают ее. Водородные облака в ранней Вселенной имели слишком много молекулярного водорода, и газ быстро охлаждался и образовывал небольшие гало вместо больших облаков».
Определенное излучение может разрушить молекулярный водород. Это создает условия, которые предотвращают фрагментацию облака. Излучение может откуда-то исходить, и Лу и другие предлагают интересную идею в своей статье. Они утверждают, что существует возможное «пространство параметров», где реликтовые распадающиеся частицы могут испускать излучение, которое подстегнет коллапс. Среди прочего, они предлагают «аксионоподобную» частицу темной материи, распадающуюся и подстегивающую в конечном итоге слияние облака водорода в сверхмассивную чёрную дыру.
Тайны темной материи и сверхмассивных черных дыр требуют ответов
Темная материя сама по себе является загадочным «веществом», которое составляет очень большую часть «вещества» Вселенной. Мы знаем о нем по его гравитационному воздействию на объекты, которые мы можем видеть (так называемая барионная материя). Однако форма, которую принимает темная материя, вообще не понята. Она может состоять из частиц, которые медленно распадаются, или она может состоять из более чем одного вида частиц. Некоторые могут быть стабильными, другие могут распадаться на ранних этапах. В любом случае продуктом распада может быть излучение в форме фотонов, которые расщепляют молекулярный водород и не дают водородным облакам слишком быстро остывать. Даже очень слабый распад темной материи дал достаточно излучения, чтобы предотвратить остывание, образуя большие облака и, в конечном итоге, сверхмассивные черные дыры.
Конечно, эта идея не была доказана. Однако команда указывает, что распад таких частиц темной материи может испускать свет как в оптическом, так и в ультрафиолетовом спектре. Это могло бы объяснить очень точные измерения «космического оптического фона» (COB), наблюдаемого инструментом LORRI New Horizons. COB — это видимый световой фон, примерно аналогичный космическому микроволновому фону. Думайте о нем как о сумме всех излучений от объектов за пределами Галактики Млечный Путь. Его присутствие позволяет астрономам диагностировать и понимать излучения от всех астрофизических объектов. Еще многое предстоит изучить и понять об этих возможных аксионах (если они составляют темную материю).
Для получения дополнительной информации
Темная материя могла способствовать образованию сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной
Прямой коллапс сверхмассивных черных дыр из распада реликтовых частиц
Предварительная печать на бумаге
