Одна из давних загадок астрономии – как сверхмассивные черные дыры смогли вырасти до гигантских размеров за поразительно короткий по космическим меркам срок. Данные телескопа «Джеймс Уэбб» лишь усугубили эту проблему, показав, что колоссальные черные дыры существовали уже в рассвет Вселенной. Теперь исследователи из Университета Мейнут в Ирландии представили прорывное объяснение этого феномена, опубликованное в журнале Nature Astronomy.
Согласно новому исследованию, ключ к разгадке кроется в экстремальных и хаотичных условиях, царивших в молодой Вселенной. С помощью сложного компьютерного моделирования ученые показали, что первые черные дыры, рожденные всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, пережили настоящий «пир», который позволил им расти с невероятной скоростью. «Мы обнаружили, что хаотичные условия заставили ранние, небольшие черные дыры превратиться в сверхмассивные, которые мы наблюдаем позже, из-за периода бешеного поглощения окружающего их материала», – говорит Даксал Мехта, ведущий автор исследования.
Моделирование показало, что эти черные дыры первого поколения могли увеличивать свою массу до десятков тысяч раз по сравнению с массой нашего Солнца. Этот результат идеально согласуется с недавними наблюдениями «Джеймса Уэбба», которые поставили в тупик многие существующие теории. «Это прорыв, который решает одну из главных загадок астрономии – как черные дыры, наблюдаемые в ранней Вселенной, смогли так быстро достичь сверхмассивных размеров», – отмечает доктор Льюис Прол, член исследовательской группы.
Движущей силой этого стремительного роста были плотные, богатые газом ранние галактики. В такой среде черные дыры переживали короткие, но чрезвычайно интенсивные всплески роста благодаря процессу, известному как «суперэддингтоновская аккреция». Это явление позволяет черной дыре поглощать материю гораздо быстрее, чем предписывают классические физические модели, согласно которым излучение от падающего вещества должно было бы отталкивать новый газ. Однако в ранней Вселенной черные дыры каким-то образом преодолевали этот предел, набирая массу с феноменальной скоростью.
Эти выводы заставляют пересмотреть устоявшиеся взгляды на происхождение черных дыр. Астрономы делят ранние черные дыры на два типа: «легкие семена», возникающие из звезд с массой от десяти до нескольких сотен солнц, и «тяжелые семена», которые, как считается, рождаются уже массивными, до ста тысяч масс Солнца. До сих пор многие ученые полагали, что только «тяжелые семена» могут объяснить существование сверхмассивных черных дыр на заре времен.
«Раньше считалось, что эти крошечные черные дыры слишком малы, чтобы вырасти в гигантов», – объясняет Даксал Мехта. Новое исследование показывает, что это не так. Доктор Джон Риган, руководитель исследовательской группы, добавляет: «Наше моделирование доказывает, что даже ваши „садовые“, обычные черные дыры звездной массы могут расти с экстремальной скоростью в ранней Вселенной». Это означает, что для формирования гигантов не требовались экзотические и редкие условия, необходимые для «тяжелых семян».
Полученные результаты меняют наше представление о раннем космосе, который оказывается гораздо более турбулентным и продуктивным в плане создания массивных объектов, чем предполагалось ранее. Кроме того, исследование имеет важное значение для будущих космических миссий. В частности, оно поможет скорректировать ожидания от совместного проекта ЕКА и НАСА – лазерной интерферометрической космической антенны (LISA), запуск которой запланирован на 2035 год. Ученые надеются, что LISA сможет обнаружить гравитационные волны от слияний этих быстрорастущих «младенческих» черных дыр, что станет окончательным подтверждением новой теории.
