Тайны первых сверхмассивных черных дыр
С момента запуска космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) открыл новое окно в раннюю Вселенную, позволив астрономам совершить беспрецедентные открытия. Одно из самых интригующих — наблюдение сверхмассивных черных дыр в первые несколько миллиардов лет после Большого взрыва. Эти космические гиганты, такие как обнаруженный в сердце квазара J1120+0641, бросают вызов нашему нынешнему пониманию роста черных дыр из-за их огромной массы, в миллиарды раз превышающей массу Солнца, несмотря на очевидное отсутствие прожорливых механизмов питания.
Открытие и дилеммы
Сверхмассивные черные дыры, наблюдаемые космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST), представляют собой интересный вызов для астрономов. Один из самых ярких примеров — черная дыра в центре галактики J1120+0641, наблюдаемая примерно через 770 миллионов лет после Большого взрыва, когда возраст Вселенной составлял всего 5 % от ее нынешнего возраста.
Имея массу, в миллиард раз превышающую массу Солнца, эти колоссальные объекты представляют собой настоящую головную боль. Согласно традиционным моделям, для роста черной дыры до таких размеров требуются непрерывные процессы слияния и аккреции на временных масштабах не менее миллиарда лет. Это означает, что сверхмассивные черные дыры, обнаруженные в столь молодой Вселенной, не имели достаточно времени, чтобы достичь своих нынешних размеров с помощью известных процессов.
Гипотеза “бешеного питания” больше не работает
Чтобы объяснить столь быстрый рост, одна из гипотез предлагает, что эти первобытные сверхмассивные черные дыры прошли через период сверхэффективного бешенства питания. Согласно этой теории, черные дыры должны были поглощать вещество с исключительно высокой скоростью, превышающей обычные пределы, налагаемые стандартными процессами роста.
Однако наблюдения JWST показали, что первобытные сверхмассивные черные дыры, включая ту, что находится в центре J1120+0641, имеют аккреционные диски и торы из газа и пыли, похожие на те, что есть у более современных черных дыр. Представьте себе кольца материи, вращающиеся вокруг черной дыры, где материя медленно закручивается в спираль, чтобы быть поглощенной. Сходство этих структур с теми, что наблюдаются в более современных черных дырах, говорит о том, что процессы питания не обязательно были более эффективными в ранней Вселенной, что опровергает гипотезу о бешеном питании.
Кроме того, излучение этих квазаров, настолько яркое, что затмевает свет окружающих звезд, оказывает давление излучения, которое может даже ограничить количество вещества, которое может быть аккрецировано черной дырой, — явление, известное как предел Эддингтона. Она предполагает, что чем быстрее черная дыра питается, тем сильнее давление излучения, которое отталкивает материю и тем самым ограничивает скорость, с которой черная дыра может продолжать расти. Так как же объяснить присутствие этих “космических монстров”?
Несколько гипотез
Одно из заметных отличий, выявленных JWST, — температура пыли в торе, окружающем аккреционный диск J1120+0641. При температуре около 1 130 градусов Цельсия она примерно на сто градусов выше, чем температура, наблюдаемая вокруг более поздних сверхмассивных черных дыр. Такая разница в температурах может указывать на иные условия в ранней Вселенной, которые, вероятно, позволили этим черным дырам расти быстрее, хотя точные механизмы, лежащие в основе этого наблюдения, еще предстоит изучить.
Астрономы также изучают новые теории. Одна из наиболее предпочтительных гипотез — гипотеза массивных семян. Согласно этой теории, сверхмассивные черные дыры раннего космоса образовались из семян, которые уже имели значительную массу, порядка сотни тысяч раз превышающую массу Солнца. Они могли образоваться непосредственно при коллапсе чрезвычайно массивных облаков газа в первозданной Вселенной, минуя ограничения, накладываемые моделями постепенного роста за счет аккреции материи и слияния галактик.
Одним словом, сверхмассивные черные дыры раннего космоса, наблюдаемые благодаря возможностям JWST, бросают вызов нашему пониманию эволюции галактик и черных дыр. Их существование позволяет предположить, что процессы формирования и роста первых черных дыр были более сложными и разнообразными, чем предполагают существующие модели.
Подробности этой работы опубликованы в журнале .