Одно из самых загадочных открытий в современной астрономии
Учёные обнаружили сверхмассивные чёрные дыры, некоторые из которых весят в миллиарды раз больше нашего Солнца, в галактиках, сформировавшихся менее чем через 750 миллионов лет после Большого взрыва. Они, по-видимому, выросли невероятно быстро, что ставит под сомнение наше понимание формирования и эволюции чёрных дыр.
Традиционный путь формирования чёрных дыр
Традиционный путь формирования чёрной дыры включает коллапс звезды, когда массивная звезда умирает и оставляет после себя чёрную дыру, обычно весящую всего в несколько раз больше Солнца. Но для того чтобы эти звёздные остатки превратились в гигантов массой в миллиарды солнечных масс в ранней Вселенной, потребовался бы невероятно высокий темп «питания» в течение исключительно долгих периодов.
Сценарий прямого коллапса
Группа учёных, возможно, нашла способ обнаружить сверхмассивные чёрные дыры в процессе их формирования, ища особый тип света, который они излучают во время своего бурного процесса рождения.
Сценарий прямого коллапса — это предложенный механизм, при котором массивные облака первичного газа коллапсируют непосредственно в зародыши сверхмассивных чёрных дыр, не образуя сначала звёзд. Этот процесс может привести к образованию чёрных дыр промежуточной массы, весящих от 100 000 до 10 миллионов солнечных масс, что является гораздо более разумной отправной точкой для быстрого роста в сверхмассивные чёрные дыры.
Новое исследование
Новое исследование Ян Ло и Исаака Шлосмэна, опубликованное на сервере препринтов arXiv, предполагает, что эти предшественники наиболее массивных чёрных дыр во Вселенной могут быть обнаружены в процессе их формирования, что потенциально может решить одну из самых больших загадок астрономии.
Ключевым требованием для процесса прямого коллапса является поддержание температуры газа на уровне охлаждения атомного водорода, составляющем около 10 000 Кельвин, что предотвращает фрагментацию, которая вместо этого привела бы к формированию звёзд. В этих условиях массивные газовые облака могут коллапсировать непосредственно в плотные ядра, которые в конечном итоге становятся зародышами чёрных дыр.
Обнаружение специфического типа света
Исследование сосредоточено на обнаружении специфического типа света, называемого излучением Лайман-альфа, которое возникает, когда атомы водорода поглощают и повторно излучают ультрафиолетовое излучение. Во время прямого коллапса это излучение представляет собой один из основных процессов охлаждения, унося энергию по мере сжатия газового облака.
Предыдущие модели предполагали сферический коллапс, который улавливал бы фотоны и уничтожал их посредством квантовых процессов. Однако исследователи предлагают более реалистичный сценарий, включающий вращающийся газ, который формирует аккреционный диск вокруг центральной массы. Это создаёт биконическую схему истечения, по сути, воронки вдоль оси вращения, где излучение может уйти.
Используя сложные компьютерные симуляции и расчёты переноса излучения, дуэт обнаружил, что значительные доли фотонов Лайман-альфа могут выходить через эти каналы истечения. Для объекта, предшествующего сверхмассивной чёрной дыре, при красном смещении 10 (когда Вселенной было всего около 500 миллионов лет), более 95% излучения Лайман-альфа могло уйти и потенциально быть обнаружено.
Возможности космического телескопа Джеймса Уэбба
Исследование показывает, что инструмент NIRSpec космического телескопа Джеймса Уэбба может быть способен обнаруживать эти сигналы в режиме мультиобъектной спектроскопии и примерно за 10 000 секунд времени наблюдения.
Что делает это открытие особенно захватывающим, так это то, что излучение Лайман-альфа от объектов прямого коллапса должно иметь отличительные характеристики, которые отличают их от других небесных источников. Исследователи обнаружили, что эти объекты, предшествующие сверхмассивным чёрным дырам, будут производить сильно асимметричные спектральные линии с расширенными красными хвостами, черты, которые обычно не наблюдаются в обычных галактиках или установленных квазарах.
Способность обнаруживать эти объекты откроет новое окно в самые драматические события ранней Вселенной. В отличие от сформировавшихся сверхмассивных чёрных дыр, окружённых яркими аккреционными дисками, эти объекты, предшествующие чёрным дырам, были бы относительно свободными от металлов, представляя поистине первозданные условия.
Важность систематического поиска
Одним из важнейших аспектов этого исследования является время. Процесс прямого коллапса и связанное с ним излучение Лайман-альфа, вероятно, происходят в течение относительно короткого периода времени, прежде чем центральный объект станет настоящей чёрной дырой. Это узкое окно обнаружения подчёркивает важность систематических исследований для обнаружения этих объектов во время их формирования.
Подтверждение этого исследования с помощью наблюдений может коренным образом изменить наше понимание того, как формировались самые массивные чёрные дыры во Вселенной, предоставив прямые доказательства одного из самых экзотических сценариев в теоретической астрофизике. Первое обнаружение объекта прямого коллапса по его излучению Лайман-альфа стало бы важной вехой в понимании происхождения сверхмассивных чёрных дыр, которые сформировали структуру ранней Вселенной.