Команда международных астрофизиков, используя компьютерное моделирование, представила вероятный механизм формирования необычайно массивных черных дыр в первые сотни миллионов лет после Большого взрыва. О результатах этой работы сообщается в научном журнале Nature.
Сложность ситуации заключается в том, что космический телескоп «Джеймс Уэбб» зафиксировал в отдаленных и юных областях Вселенной небольшие, ярко-красные объекты, которые получили наименование «маленькие красные точки». Анализ наблюдений указывает на то, что в центре некоторых из этих объектов располагаются черные дыры, обладающие массой, значительно превышающей прогнозируемые значения для галактик такого возраста. Механизм, позволивший этим объектам столь стремительно увеличиться в размерах, оставался неясным.
В рамках исследования авторы создали модель рождения и эволюции подобных черных дыр, учитывая взаимодействие с окружающим газом и звездными скоплениями. Согласно предложенному ими сценарию, в областях ранней Вселенной с повышенной плотностью, расположенных вблизи активно формирующихся галактик, интенсивное ультрафиолетовое излучение тормозит обычный процесс звездообразования. Это приводит к накоплению значительного количества вещества в прилегающем газовом облаке.
Впоследствии газ начинает интенсивно сжиматься. Вместо звезд обычной массы формируется система сверхмассивных светил, отдельные компоненты которой способны достигать нескольких сотен тысяч масс Солнца. Примерно через два миллиона лет эти звезды начинают коллапсировать, порождая черные дыры. За счет постоянного притока вещества и слияний между собой, данные черные дыры могут быстро увеличиться в массе до уровня около миллиона солнечных масс – что примерно в десять раз превышает массу многих ранее предполагаемых «зародышей».
«Сразу после своего формирования черная дыра получает преимущество: она оказывается окружена плотным газом, который активно притягивается к ней. В период менее чем миллиона лет вещество может поступать со скоростью, превышающей так называемый эддингтоновский предел в несколько, а порой и в десятки раз. Это способствует быстрому набору черной дырой массы, позволяя ей достичь значения более 10 миллионов солнечных масс за короткий промежуток времени. Согласно результатам моделирования, к моменту, когда Вселенной исполнилось примерно 600 миллионов лет, ее масса достигала около 30 миллионов солнечных масс», – поясняют авторы научной работы.
Ученые полагают, что данный сценарий может служить объяснением и феномена «маленьких красных точек». Плотный газовый диск, окружающий молодую черную дыру, способен генерировать характерные спектральные признаки, в частности широкую линию водорода Hα и другие особенности, зафиксированные телескопом «James Webb». Следовательно, «маленькая красная точка» может являться кратковременной фазой быстрого роста черной дыры.
«Представленные данные являются результатом моделирования, а не прямым наблюдением происходящего процесса. Расчеты пока не учитывают в полной мере крупномасштабные потоки газа, которые могут стимулировать дальнейший рост черной дыры. Кроме того, в модель не включено влияние кинетического характера джетов и ветров, поэтому рассчитанная скорость роста следует рассматривать как максимально возможную оценку», – подчеркнули авторы исследования.
Несмотря на это, проведенная работа предлагает логичную концепцию: массивные «зародыши» могут формироваться уже в ранней Вселенной, быстро увеличиваться в массе и впоследствии служить предшественниками сверхмассивных черных дыр и первых квазаров, отличающихся высокой светимостью.
