Учёные раскрыли тайну сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной

Учёные, возможно, решили одну из космических загадок, которая беспокоила их с момента开始 работы телескопа Джеймса Уэбба в 2022 году. Когда астрономы начали изучать ранние дни Вселенной с помощью этого передового обсерватория, они обнаружили сверхмассивные чёрные дыры, которые, казалось, сформировались раньше, чем Вселенная достигла возраста 1 миллиарда лет - что не может быть объяснено нашей текущей моделью космоса. Однако новое исследование показало, что "пиршество" чёрных дыр может объяснить, как эти космические монстр были рождены так рано в истории Вселенной.

"Мы обнаружили, что хаотические условия, существовавшие в ранней Вселенной, спровоцировали раннее, небольшие чёрные дыры, чтобы вырасти в сверхмассивные чёрные дыры, которые мы видим позже, после пиршества, которое поглотило всё материю вокруг них", - заявил лидер исследования Даксал Мета из Университета Мэйнут. "Мы показали, используя передовые компьютерные симуляции, что первый поколение чёрных дыр - те, которые родились всего через несколько сотен миллионов лет после Большого Взрыва - выросли невероятно быстро, в десятки тысяч раз больше размера нашего Солнца".

Команда исследователей, выполнив сложные компьютерные симуляции, обнаружила, что турбулентные и богатые газом условия в первых галактиках могли позволить чёрным дырам войти в кратковременные фазы сверхпотребления, превышая барьер, известный как "предел Эддингтона". Этот предел определяет, сколько материи может упасть на тело, подобное звезде или чёрной дыре, прежде чем радиация, генерируемая этой аккрецией, оттолкнёт дальнейшую материю, опустошив ларец центральной гостиницы газа и пыли, тем самым отрезав его от источника питания.

Периоды сверхпотребления, которые нарушают этот предел, известны как "сверх-Эддингтонская аккреция" и служат пропущенной связью между чёрными дырами, которые формируются, когда массивные звёзды умирают в сверхновых взрывах, и монструозными сверхмассивными чёрными дырами.

Сверхмассивные чёрные дыры с массами, в миллионы или даже миллиарды раз превышающими массу Солнца, располагаются в центре всех крупных галактик в современной 13,8-миллиардной Вселенной, что не вызывает беспокойства, поскольку они имели достаточно времени, чтобы вырасти. Однако проблема заключается в открытии сверхмассивных чёрных дыр, датированных возрастом всего 500 миллионов лет после Большого Взрыва, населения, которое телескоп Джеймса Уэбба регулярно обнаруживал в течение последних трёх с половиной лет. Это потому, что процессы слияния и питания, которые, как считается, позволяют чёрным дырам достичь сверхмассивного статуса, должны занять хотя бы 1 миллиард лет.

"Это похоже на то, как если бы вы увидели семью, идущую по улице, и у них есть два подростка ростом 180 см, но также с ними есть трёхлетний ребёнок ростом 180 см", - ранее сказал член команды исследователей и учёный Университета Мэйнут Джон Риган. "Это немного проблематично. Как этот ребёнок вырос так быстро? И то же самое касается сверхмассивных чёрных дыр во Вселенной. Как они стали так массивными так быстро?"

Симуляции команды показывают, что сверх-Эддингтонское пиршество могло позволить первому поколению чёрных дыр объесться плотным газом ранней Вселенной и достичь масс, в десятки тысяч раз превышающих массу Солнца. Хотя это ещё не значит, что мы можем объяснить сверхмассивные чёрные дыры, это даёт значительный толчок процессу слияния, который будет наблюдаться за чёрными дырами, увеличивающимися в размерах, сталкивающимися и сливаемися, чтобы родить ещё более массивную чёрную дыру.

"Эти крошечные чёрные дыры ранее считались слишком маленькими, чтобы вырасти в гигантские чёрные дыры, наблюдаемые в центре ранних галактик", - заявил Мета. "То, что мы показали здесь, - это то, что эти ранние чёрные дыры, хотя и небольшие, способны растиspectacularly быстро, при определённых условиях".

Исследование команды может помочь учёным определить, начались ли ранние сверхмассивные чёрные дыры с "лёгкими семенами", имеющими массу в 10-100 раз больше массы Солнца, или с "тяжёлыми семенами", имеющими массу до 100 000 раз больше массы Солнца. Ранее считалось, что только тяжёлые семена достаточно массивны, чтобы обеспечить быстрый рост сверхмассивных чёрных дыр.

"Теперь мы не так уверены", - сказал Риган. "Тяжёлые семена несколько более экзотичны и могут потребовать редких условий для формирования. Наши симуляции показывают, что обычные чёрные дыры со звёздной массой могут расти с экстремальными скоростями в ранней Вселенной".

Исследование команды не только предполагает новый путь для роста сверхмассивных чёрных дыр, но также показывает, насколько важны высокоразрешающие симуляции в нашем исследовании ранней Вселенной.

"Ранняя Вселенная намного более хаотична и турбулентна, чем мы ожидали, с намного большей популяцией массивных чёрных дыр, чем мы предполагали", - сказал Риган.

Что касается сбора доказательств этой теории, это может быть задачей не для телескопа Джеймса Уэбба или cualquier другого традиционного астрономического прибора, а для инструментов, предназначенных для обнаружения крошечныхripples в пространстве, известных как гравитационные волны, которые слияния, такие как это, излучают. Особое значение может иметь первый космический детектор гравитационных волн, Лазерная Интерферометрическая Космическая Антенна (ЛИСА), совместная миссия Европейского Космического Агентства и НАСА, запланированная к запуску в 2035 году.

"Будущие наблюдения гравитационных волн с этой миссии могут обнаружить слияние этих крошечных, ранних, быстро растущих детских чёрных дыр", - заключил Риган.

Исследование команды было опубликовано в журнале Nature Astronomy.