Разгадана тайна сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной

Визуализация, показывающая рост молодых чёрных дыр в галактике ранней Вселенной. Автор: доктор Джон Риган

Одна из величайших загадок астрономии — как чёрные дыры стали такими огромными и массивными так быстро. Ответ на эту космическую головоломку теперь предоставили исследователи из Ирландского университета Мейнута (MU), опубликовав результаты в журнале Nature Astronomy.

«Мы обнаружили, что хаотические условия, существовавшие в ранней Вселенной, спровоцировали ранний, более быстрый рост небольших чёрных дыр в сверхмассивные чёрные дыры, которые мы наблюдаем позже, после настоящего «пиршества», в ходе которого они поглощали окружающую их материю», — говорит Даксал Мехта, кандидат наук на кафедре физики Университета Мейнута, руководивший исследованием.

«С помощью современных компьютерных симуляций мы показали, что первое поколение чёрных дыр — тех, что родились всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва — росло невероятно быстро, достигая десятков тысяч масс нашего Солнца».

«Это открытие решает одну из больших загадок астрономии, — говорит доктор Льюис Проул, научный сотрудник MU и член исследовательской группы. — А именно, как чёрные дыры, рождённые в ранней Вселенной и наблюдаемые космическим телескопом «Джеймс Уэбб», смогли так быстро достичь сверхмассивных размеров».

Сгенерированное компьютером изображение, показывающее формирование космических структур в самой ранней Вселенной. Автор: доктор Джон Риган

Как чёрные дыры росли так быстро

Плотные, богатые газом среды в ранних галактиках позволяли осуществлять короткие всплески «сверхэддингтоновской аккреции» — термин, описывающий ситуацию, когда чёрная дыра «пожирает» материю быстрее, чем это обычно или безопасно. Настолько быстро, что она должна была бы «сдуть» свою «пищу» излучением, но каким-то образом продолжала её поглощать.

Результаты предоставили «недостающее звено» между первыми звёздами и сверхмассивными чёрными дырами, появившимися гораздо позже.

«Раньше считалось, что эти крошечные чёрные дыры слишком малы, чтобы вырасти в гигантские чёрные дыры, наблюдаемые в центрах ранних галактик, — говорит Даксал Мехта. — Мы же показали, что эти ранние чёрные дыры, хоть и небольшие, способны расти феноменально быстро при наличии подходящих условий».

Типы «зародышей» чёрных дыр

Чёрные дыры делятся на типы «тяжёлых» и «лёгких» семян (зародышей). «Лёгкие» изначально относительно малы — всего от десяти до нескольких сотен масс Солнца максимум — и должны вырасти оттуда, чтобы стать «сверхмассивными», то есть в миллионы раз массивнее Солнца.

«Тяжёлые» же типы начинают жизнь уже гораздо более массивными, возможно, до ста тысяч масс Солнца при рождении.

До сих пор астрономы считали, что для объяснения наличия сверхмассивных чёрных дыр в центрах большинства крупных галактик необходимы именно «тяжёлые» семена.

«Теперь мы не так уверены, — говорит доктор Джон Риган с кафедры физики MU, руководитель исследовательской группы. — «Тяжёлые» семена несколько более экзотичны и для их образования могут требоваться редкие условия. Наши симуляции показывают, что ваши «рядовые» чёрные дыры звёздной массы могут расти с экстремальной скоростью в ранней Вселенной».

Значение для будущих исследований и миссий

Исследование MU не только меняет понимание происхождения чёрных дыр, но и подчёркивает важность высокодетализированных симуляций в раскрытии самых ранних тайн Вселенной.

«Ранняя Вселенная гораздо более хаотична и турбулентна, чем мы ожидали, с гораздо большей популяцией массивных чёрных дыр, чем мы предполагали», — говорит доктор Риган.

Результаты также имеют значение для важной совместной миссии Европейского космического агентства и NASA — лазерного интерферометра LISA (Laser Interferometer Space Antenna), запуск которой запланирован на 2035 год.

«Будущие наблюдения за гравитационными волнами в рамках этой миссии, возможно, смогут зафиксировать слияния этих крошечных, ранних, быстрорастущих «детских» чёрных дыр», — говорит доктор Риган.

Источник: Maynooth University