Сверхмассивные черные дыры — одни из самых впечатляющих (и пугающих) объектов во Вселенной — с массой примерно в 1 миллиард раз больше массы Солнца. И мы знаем, что они существуют уже давно.
Фактически, астрономы обнаружили чрезвычайно яркие компактные источники, расположенные в центрах галактик, известные как квазары (быстрорастущие сверхмассивные черные дыры), когда Вселенной было менее 1 миллиарда лет.
Теперь новое исследование, опубликованное в The Astrophysical Journal Letters, использовало наблюдения с космического телескопа Хаббл, чтобы показать, что в ранней Вселенной было гораздо больше (гораздо менее ярких) черных дыр, чем предполагали предыдущие оценки. Интересно, что это может помочь нам понять, как они образовались, и почему многие из них кажутся более массивными, чем ожидалось.
Черные дыры растут, поглощая окружающий их материал, в процессе, известном как аккреция. Это производит колоссальное количество радиации. Давление этого излучения накладывает фундаментальное ограничение на то, как быстро могут расти черные дыры.
Поэтому ученые столкнулись с проблемой объяснения происхождения этих ранних массивных квазаров: не имея достаточного космического времени для питания, они должны были либо расти быстрее, чем это физически возможно, либо рождаться на удивление массивными.
Но как вообще образуются черные дыры? Существует несколько возможностей. Первая заключается в том, что так называемые первичные черные дыры существуют вскоре после Большого взрыва. Хотя это и возможно для черных дыр с малой массой, массивные черные дыры не могли образоваться в значительных количествах согласно стандартной модели космологии.
Черные дыры определенно могут образовываться (теперь подтверждено гравитационно-волновой астрономией) на последних стадиях коротких жизней некоторых обычных массивных звезд. Такие черные дыры в принципе могли бы быстро расти, если бы формировались в чрезвычайно плотных звездных скоплениях, где звезды и черные дыры могут сливаться. Именно этим «семенам звездной массы» черных дыр нужно было бы расти слишком быстро.
Альтернативой является то, что они могли образоваться из «тяжелых семян», с массами примерно в 1000 раз больше, чем известные массивные звезды. Одним из таких механизмов является «прямой коллапс», в котором ранние структуры неизвестной, невидимой субстанции, известной как темная материя, удерживали газовые облака, в то время как фоновое излучение не давало им образовывать звезды. Вместо этого они коллапсировали в черные дыры.
Проблема в том, что лишь меньшинство гало темной материи вырастает достаточно большими, чтобы сформировать такие семена. Так что это работает как объяснение только в том случае, если ранние черные дыры достаточно редки.
В течение многих лет у астрономов была хорошая картина того, сколько галактик существовало в первый миллиард лет космического времени. Но обнаружение черных дыр в этих средах было чрезвычайно сложной задачей (можно было доказать только существование светящихся квазаров).
Хотя черные дыры растут, поглощая окружающий материал, это происходит не с постоянной скоростью — они разбивают свое питание на «приемы пищи», из-за чего их яркость меняется со временем. Ученые отслеживали изменения яркости некоторых из самых ранних галактик в течение 15 лет и использовали это, чтобы провести новую перепись того, сколько там черных дыр.
Оказывается, в обычных ранних галактиках находится в несколько раз больше черных дыр, чем мы изначально предполагали.
Другая недавняя пионерская работа с космическим телескопом Джеймса Уэбба (JSTW) начала приходить к аналогичным выводам. В общей сложности у нас больше черных дыр, чем может образоваться в результате прямого коллапса.
Есть другой, более экзотический, способ формирования черных дыр, который может производить семена, которые являются как массивными, так и обильными. Звезды формируются путем гравитационного сжатия газовых облаков: если значительное количество частиц темной материи может быть захвачено во время фазы сжатия, то внутренняя структура может быть полностью изменена — и ядерное возгорание может быть предотвращено.
Рост, таким образом, может продолжаться во много раз дольше, чем типичная продолжительность жизни обычной звезды, позволяя им становиться гораздо более массивными. Однако, как и обычные звезды и объекты прямого коллапса, ничто в конечном итоге не способно противостоять непреодолимой силе гравитации. Это означает, что эти «темные звезды» также должны в конечном итоге коллапсировать, образуя массивные черные дыры.
Теперь ученые считают, что процессы, подобные этому, должны были иметь место при формировании большого количества черных дыр, которые мы наблюдаем в зарождающейся Вселенной.
За последние два года исследования раннего формирования черных дыр претерпели изменения, но в определенном смысле эта область только начинает развиваться.
Новые обсерватории в космосе, такие как миссия Euclid или космический телескоп Nancy Grace Roman, заполнят нашу перепись более слабых квазаров в ранние времена. Миссия NewAthena и Square Kilometer Array в Австралии и Южной Африке откроют доступ к пониманию многих процессов, окружающих черные дыры в ранние времена.
Но на самом деле именно за JWST мы должны следить в ближайшей перспективе. С его чувствительностью к визуализации и мониторингу, а также спектроскопическими возможностями, позволяющими увидеть очень слабую активность черных дыр, мы ожидаем, что в ближайшие пять лет мы действительно зафиксируем количество черных дыр, когда формировались первые галактики.
Можно будет даже застать процесс формирования черной дыры в действии, наблюдая взрывы, связанные с коллапсом первых нетронутых звезд. Модели говорят, что это возможно, но это потребует скоординированных и целенаправленных усилий астрономов.
По информации https://planet-today.ru/novosti/nauka/item/172648-v-rannej-vselennoj-bylo-bolshe-chernykh-dyr-chem-schitalos-ranee
