Космические гиганты: в поисках истоков сверхмассивных черных дыр

В сердце нашего Млечного Пути, на расстоянии 27 000 световых лет от Земли, скрывается сверхмассивная черная дыра массой более 4 миллионов солнц. Подобные монстры, многие из которых в тысячи раз тяжелее (как, например, объект в 6.5 миллиардов солнечных масс в галактике M87), находятся в центрах почти всех галактик. Самые крупные из них превышают массу в 40 миллиардов солнц. Но как эти чудовищные объекты успели сформироваться в молодой Вселенной?

Парадокс юных гигантов

Одна из ведущих теорий гласит, что сверхмассивные черные дыры растут постепенно, сливаясь друг с другом по мере слияния их галактик. Согласно этой модели, в самых далеких (а значит, и самых молодых) галактиках мы должны наблюдать лишь скромные черные дыры массой в миллионы солнц, а гиганты в миллиарды масс должны появляться лишь в ближней к нам Вселенной.

Однако данные с космического телескопа «Джеймс Уэбб» поставили эту идею под сомнение. Оказалось, что черные дыры массой более миллиарда солнц уже существовали, когда Вселенной было всего около 500 миллионов лет. Эти «юные гиганты» слишком массивны, чтобы объяснить их рост лишь слияниями. Они бросают вызов общепринятым космологическим моделям.

Предел Эддингтона: «скоростной ограничитель» для черных дыр

Может показаться, что в плотной ранней Вселенной черные дыры могли просто «объедаться» окружающим веществом. Однако существует фундаментальное ограничение — предел Эддингтона. Когда материя падает на черную дыру, она превращается в сверхгорячую плазму, которая своим давлением отталкивает более далекие газовые облака, не давая им приблизиться. Этот процесс создает своеобразный «скоростной ограничитель» роста. И даже на максимально разрешенной скорости черные дыры не успели бы дорасти до наблюдаемых размеров за отведенное им время.

Новое исследование: был ли шанс ускориться?

Но что, если в молодой Вселенной этот закон не действовал? Именно этот вопрос исследуется в недавней научной работе, размещенной на arXiv. Авторы создали сложные гидродинамические модели, чтобы изучить формирование черных дыр в «космические темные века» — период после остывания вещества, но до зажигания первых звезд.

Результаты моделирования показали, что краткий период сверхэддингтоновского роста все же был возможен. В некоторых сверхплотных регионах раскаленная плазма не могла расчистить пространство вокруг зародыша черной дыры, позволяя ему поглощать материю с невероятной скоростью. Однако этот рывок был недолгим и позволял черной дыре набрать лишь около 10 000 солнечных масс, после чего вступал в силу предел Эддингтона, и рост снова замедлялся.

Что еще более важно, команда обнаружила, что такая «форсажная» стадия не дает долгосрочного преимущества. В космическом марафоне даже черная дыра, всегда росшая в рамках предела Эддингтона, в конечном счете догонит и перегонит того, кто стартовал с ускорением. Как в беге: спринтер Усэйн Болт обгонит марафонца Элиуда Кипчога на стометровке, но на дистанции в 42 километра его ждет неминуемое поражение.

Тупик и новые пути

Таким образом, это исследование убедительно доказывает: ни модель слияний, ни кратковременный сверхэддингтоновский рост не могут полностью объяснить наличие миллиардосолнечных гигантов в младенческой Вселенной.

Куда же ведет научная мысль? Это заводит космологию в область еще более экзотических гипотез. Решение, вероятно, кроется в самой природе первичных «зародышей» черных дыр. Возможно, эти семена были изначально невероятно массивными. Они могли сформироваться не из первых звезд, а гораздо раньше — в результате прямого гравитационного коллапса сверхплотных облаков в эпоху темных веков. Еще более смелая гипотеза предполагает, что их рождение относится к самой заре времени — к периоду космической инфляции, последовавшему за Большим взрывом, когда экстремальные условия могли породить «первичные» черные дыры колоссальной массы с самого начала.

Разгадка этой тайны — дело будущего. Более точные наблюдения на «Джеймсе Уэббе» и будущих телескопах, а также новые, еще более сложные компьютерные симуляции, должны помочь астрономам выбрать верный путь в этом лабиринте космологических теорий, чтобы наконец понять, как Вселенная успела вырастить своих первых гигантов.