В центре Млечного Пути, всего в 27 000 световых годах от Земли, находится сверхмассивная чёрная дыра массой более 4 миллионов солнечных масс. Почти во всех галактиках есть сверхмассивные чёрные дыры, многие из которых гораздо массивнее. Например, чёрная дыра в эллиптической галактике M87 имеет массу 6,5 миллиарда солнечных масс. Самые крупные чёрные дыры достигают более 40 миллиардов солнечных масс.
Мы знаем, что эти «монстры» скрываются в космосе, но как они образовались?
Одна из идей
Одна из идей заключается в том, что сверхмассивные чёрные дыры формируются со временем в результате слияний. Из-за тёмной материи и тёмной энергии галактики образуются в скоплениях, разделённых пустотами. Со временем пустоты становятся больше, а галактики объединяются и в конечном итоге сливаются. Чёрные дыры внутри этих галактик также сливаются, образуя сверхмассивные объекты, которые мы наблюдаем сегодня.
Но это требует времени
Конечно, для этого нужно время. Если эта модель верна, то в самых далёких галактиках должны быть обнаружены чёрные дыры меньшего размера, массой в миллионы солнечных масс, а гиганты массой в миллиарды солнечных масс должны быть видны только в близлежащей Вселенной.
Однако наблюдения с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба показали, что сверхмассивные чёрные дыры во многих самых далёких галактиках огромны. Чёрные дыры с массой более миллиарда солнц уже существовали, когда Вселенной было всего полмиллиарда лет. Эти молодые гиганты слишком массивны, чтобы их можно было объяснить слияниями, и они противоречат традиционным объяснениям.
Почему так?
Вы можете задаться вопросом, почему. Ведь ранняя Вселенная была невероятно плотной. Вокруг было много материи, которой чёрные дыры могли бы «позавтракать», так почему же они не могли быстро расти?
Причина кроется в так называемом пределе Эддингтона. Когда материя притягивается к чёрной дыре, она становится сверхгорячей плазмой с высоким давлением. Это отталкивает более далёкую материю от чёрной дыры, замедляя скорость роста. Предел Эддингтона — это максимальная скорость, с которой может расти чёрная дыра. Эта скорость недостаточно высока, чтобы объяснить все гигантские чёрные дыры, которые мы наблюдаем в раннем космосе.
Но самый ранний период Вселенной сильно отличается от сегодняшней Вселенной. Что, если предел Эддингтона не применялся тогда? Этот вопрос рассматривается в недавней статье на сервере препринтов arXiv. Авторы создали сложные гидродинамические модели, чтобы изучить формирование чёрных дыр в космический тёмный век.
Период после охлаждения электронов и ядер
Период после охлаждения электронов и ядер с образованием атомов, но до реионизации, когда сформировались первые звёзды и вновь озарили космос светом. Мы знаем, что в этот период начали формироваться галактики, поэтому разумно предположить, что сверхмассивные чёрные дыры также образовались в это время.
Основываясь на своих симуляциях, авторы обнаружили, что существует период, превышающий предел Эддингтона. Есть регионы, достаточно плотные, чтобы сверхгорячий материал вблизи чёрной дыры не мог очистить их. Это позволило ранним чёрным дырам расти со скоростью, превышающей сегодняшнюю, но только примерно до 10 000 солнечных масс.
Согласно моделированию, после этого вступает в действие петля обратной связи Эддингтона, и скорость роста снова ограничивается. Команда также обнаружила, что такой сверхэддингтоновский рост не сильно помогает в долгосрочной перспективе. В конце концов, даже чёрные дыры, которые всегда растут со скоростью ниже предела Эддингтона, достигнут одинаковой массы.
Это исследование убедительно показывает, что сверхэддингтоновский рост не может объяснить все чёрные дыры массой в миллиард солнечных масс, которые мы наблюдаем в ранней Вселенной. Поскольку галактические слияния также не могут их объяснить, эта работа указывает на другое решение: чёрные дыры с начальной массой, которые образовались очень рано, возможно, даже в период инфляции вскоре после Большого взрыва.