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 достаточно быстро, чтобы существовать менее чем через 1 миллиард лет после Большого взрыва. Новое исследование было представлено в Astrophysical Journal Letters и в настоящее время опубликовано в бумажном репозитории arXiv.
Потенциально 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, вероятно, 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 Чандра. 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, живет 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 Чандре, и это излучение указывало на питающуюся или «срастающуюся» черную дыру, связанную с квазаром, что было особенно убедительно при идентификации окружающей галактики как OBG.
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. «Поэтому, как первый кандидат OBG, UHZ1 предоставляет убедительные доказательства образования тяжелых исходных семян в результате прямого коллапса в ранней Вселенной».
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. У того, кто находится в центре Млечного Пути, у Стрельца A* (Sgr A*), например, было достаточно времени, чтобы вырасти примерно до 4,5 миллионов масс Солнца. Черная дыра в центре галактики под названием M87 стала еще больше, ее масса примерно в 5 миллиардов раз превышает массу нашей звезды.
Но поскольку эти механизмы роста, по оценкам, имеют место в течение миллиардов лет, открытие подобных сверхмассивных черных дыр, существовавших в период от 500 миллионов до всего лишь миллиарда лет после Большого взрыва, является сложной задачей. У этих методов сбора массы не было бы 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.
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 черных дыр с огромными массами, примерно в 100 000 раз превышающими 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 для этих пустот. Затем, в конце концов, другие черные дыры могли столкнуться и слиться с ними.
Риган сравнивает это с малышом ростом шесть футов, рожденным длиной три фута. Это все еще немного сбивает с толку (и, возможно, немного тревожит), но это лучше объясняет, как малыш так быстро достиг размеров взрослого человека, по крайней мере, легче, чем если бы малыш начинал с роста среднего младенца.
Ожидается, что другие более мелкие зародыши черных дыр не вызовут OBG, поэтому идентификация UHZ1 как такой галактики, таким образом, подтверждает существование зародышей тяжелых черных дыр и придает достоверность их роли в раннем росте сверхмассивных черных дыр.
Однако сами авторы указывают на ограничения своего исследования и призывают к осторожности при экстраполяции того, что рост черной дыры в пределах UHZ1 достиг сверхмассивного статуса. Они также понимают, что возможность такого роста будет сильно зависеть от среды, в которой окажется потенциальное семя, с обильным количеством газа и пыли, необходимых для его роста.
Предстоит провести еще много исследований, прежде чем можно будет подтвердить существование популяции тяжелых черных дыр-зародышей и установить их связь со сверхмассивными черными дырами в зарождающейся Вселенной, но эти открытия, по крайней мере, представляют собой шаг в правильном направлении.
«Поскольку JWST обнаруживает больше [дальних и ранних] аккрецирующих черных дыр в предстоящих циклах, мы планируем проанализировать эти источники, исследовать возможные рентгеновские аналоги с помощью Chandra и развить более глубокое понимание OBG и физики тяжелого посева», — заключила команда.
«Это обнаружение дает еще одно свидетельство сценария с тяжелыми семенами», — сказал Рейган. «Вместе с другими массами черных дыр JWST, которые наблюдались, я бы сказал, что масса свидетельств в настоящее время убедительно указывает на сценарий тяжелого зародыша для роста сверхмассивной черной дыры».
Обсудим?
Смотрите также:
