Це могло б пояснити, як у ранньому Всесвіті надмасивні чорні діри так швидко наростили масу, що в мільярди разів перевищувала масу Сонця.

Можливо, астрономи виявили перші докази існування паростка («насіння») масивної чорної діри в ранньому Всесвіті.

Ці так звані паростки могли б допомогти пояснити, як деякі надмасивні чорні діри з масами, еквівалентними мільйонам або навіть мільярдам мас Сонця, могли вирости досить швидко, щоб існувати менш ніж через 1 мільярд років після Великого Вибуху.

Потенційно такими паростками є чорні діри з масою приблизно в 40 мільйонів разів більшою, ніж у Сонця. Науковці вважають, що ці об’єкти виникають внаслідок прямого колапсу масивної хмари газу, на відміну від звичайної чорної діри, яка народжується, коли масивна зоря досягає кінця свого життя та руйнується під дією власної сили тяжіння. Галактики, які теоретично містять такі масивні паростки чорних дір, називають нестандартними галактиками чорної діри (Outsize Black Hole Galaxies, OBGs).

Ці галактики, ймовірно, дуже далекі, їх видно за допомогою телескопів такими, якими вони були, коли Всесвіту, вік якого становить 13,8 мільярдів років, було приблизно 400 мільйонів років. І тепер астрономи, можливо, нарешті виявили одну із цих OBG.

Наукова група під керівництвом дослідника Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики Акоса Богдана (Akos Bogdán) вперше виявила об’єкт із масою, характерною для чорних дір, коли вивчала квазар за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope, JWST) і рентгенівської обсерваторії NASA «Чандра» (Chandra). Завдяки надмасивним чорним дірам квазари є дуже яскравими, активними ядрами галактик. Вони можуть бути такими яскравими, що перевершують сукупне світло усіх зір в галактиці.

Той квазар, який вивчали Богдан і його колеги, міститься в галактиці під назвою UHZ1.

І, як виявилося, дані JWST і Chandra щодо UHZ1 узгоджувалися з тим, що можна було б очікувати від OBG. Наукова група виявила рентгенівське випромінювання, що вказує на «харчування» або «зростання» чорної діри, пов’язаної з квазаром. Це було особливо переконливим для визначення його материнської галактики як OBG.

Дослідники також порівняли дані спостережень із результатами комп’ютерної симуляції швидкого росту паростка масивної чорної діри і виявили, що між ними існує хороша відповідність. Найкращий варіант, який вони знайшли під час цього порівняння, відповідав паростку масою 10 000 сонячних мас, який виростав протягом кількох сотень мільйонів років.

«Спираючись на хорошу узгодженість між спостережуваними властивостями UHZ1 в різних діапазонах електромагнітного спектра і шаблонними прогнозами теоретичної моделі, ми припускаємо, що UHZ1 є першим виявленим кандидатом в OBG, за умови підтвердження його червоного зміщення методом спектроскопії», — пишуть автори в статті, пояснюючи відкриття. «Тому UHZ1, що є першим кандидатом в OBG, надає переконливі докази формування в ранньому Всесвіті масивних початкових паростків надмасивних чорних дір внаслідок прямого колапсу».

Як масивні паростки дають чорним дірам поштовх росту?

Величезні розміри надмасивних чорних дір не дуже турбують вчених. Це тому, що ці космічні титани мали мільярди років, щоб зростати, харчуючись навколишнім газом і пилом, а також зливаючись з іншими чорними дірами. Наприклад, той, що міститься в центрі Молочного Шляху, Стрілець A* (Sgr A*), мав достатньо часу, щоб вирости приблизно до 4,5 мільйона мас Сонця. Чорна діра в центрі галактики під назвою M87 зуміла стати ще більшою, її маса приблизно в 5 мільярдів разів перевищує масу нашої зорі.

Але оскільки процес росту, за оцінками, відбувається протягом мільярдів років, відкриття таких же надмасивних чорних дір, які існували на відтинку часу лише від 500 мільйонів років до всього-на-всього мільярда років після Великого Вибуху, є складним завданням. Процесам нарощування маси не стало б часу, потрібного для утворення таких гігантських чорних дір. Проте, астрономи, які вивчають ранній Всесвіт за допомогою JWST та інших інструментів, їх виявили.

«Це як сім’я, яка йде вулицею, і у них двоє підлітків зростом 1,8 метра, але з ними є дитина такого ж зросту. Це певна проблема; як дитина стала такою високою?», — сказав Джон Рейґан (John Reagan), науковий співробітник Мейнутського університету в Ірландії, який не брав участі в цьому дослідженні. «Те саме стосується надмасивних чорних дір у Всесвіті. Як вони так швидко стали такими масивними?»

Одна з теорій вказує на те, що ці чорні діри отримали фору завдяки процесам нарощення (акреції) маси, виростаючи з меншої чорної діри, як із «насіння».

У цьому зв’язку є два панівних напрями думки. З одного боку, експерти припускають, що надмасивні чорні діри могли вирости з легких паростків чорної діри з масою приблизно в 10—100 разів більшою, ніж маса Сонця. Такі «зерна» теоретично можуть з’явитися через стандартний механізм формування чорної діри зоряної маси, а саме внаслідок загибелі й колапсу першого покоління зір у Всесвіті.

З іншого боку, ранні надмасивні чорні діри могли вирости з важких чорних дір із величезними масами, що приблизно в 100 000 разів перевищували масу Сонця. Вони могли утворитися прямо внаслідок колапсу масивних газопилових хмар, тобто оминувши «зоряну стадію» інших чорних дір. Астрономи називають такі чорні діри чорними дірами прямого колапсу (direct collapse black holes, DCBHs).

Тоді ці DCBH могли б рости на тлі злиття галактик, які були звичним явищем у ранньому Всесвіті, що також додавало б запасів газу та пилу для утворення цих об’єктів. Зрештою, згодом інші чорні діри могли зіткнутися та злитися з ними.

Ріґан порівнює це з дитиною заввишки 1,8 метра, яка від народження мала зріст 90 см. Це все ще трохи заплутано (і, можливо, трохи тривожно), але це краще пояснює, як малюк досяг зросту дорослої людини так швидко. Принаймні так легше, ніж якби малюк від народження мав зріст звичайного немовляти.

Згідно з теперішніми уявленнями, менші паростки чорної діри не дадуть початок OBG, тому ідентифікація UHZ1, як галактики такої природи, підтверджує існування паростків масивної чорної діри та додає вірогідності їх ролі в ранньому зростанні надмасивної чорної діри.

Однак самі автори вказують на обмеженість своїх досліджень і закликають бути обережними при екстраполяції того, що зростання чорної діри в UHZ1 досягло рівня надмасивної. Вони також наголошують, що можливість такого зростання сильно залежатиме від середовища, в якому опиниться потенційний паросток. Для підтримки його росту потрібно багато газу та пилу.

Треба виконати ще багато досліджень, перш ніж можна буде підтвердити популяцію масивних чорних дір і встановити їхній зв’язок із надмасивними чорними дірами у ранньому Всесвіті, але це відкриття принаймні є кроком у правильному напрямку.

«Оскільки JWST під час майбутніх спостережень виявить більше [далеких і ранніх] акреційних чорних дір, ми плануємо проаналізувати ці джерела, дослідити можливі рентгенівські дані від Chandra та розвинути глибше розуміння OBG і фізики массивного паростка», — підсумувала наукова група.

«Це виявлення надає ще більше доказів сценарію масивного паростка», — сказав Ріґан. «Узявши всі чорні діри, які спостерігав JWST, я б сказав, що вагомість доказів тепер рішуче вказує на сценарій масивного паростка для зростання надмасивної чорної діри».

Результати дослідження науковців подано в Astrophysical Journal Letters і вже оприлюднені в сховищі публікацій arXiv.

За інф. з сайту www.space.com