В ранней Вселенной обнаружена спящая сверхмассивная черная дыра, не соответствующая теоретическим моделям
С помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» международная группа исследователей под руководством Кембриджского университета обнаружила в ранней Вселенной, спустя всего 800 миллионов лет после Большого взрыва, сверхмассивную черную дыру, которая, судя по всему, находится в «спящем» состоянии.
Эта черная дыра — одна из самых массивных черных дыр, обнаруженных Уэббом на данном этапе развития Вселенной, ее масса в 400 миллионов раз превышает массу нашего Солнца. Она настолько огромна, что составляет около 40 % от общей массы галактики-хозяина, GN-1001830: для сравнения, большинство черных дыр в локальной Вселенной имеют массу около 0,1 % от массы галактики-хозяина.
Однако, несмотря на свои гигантские размеры, черная дыра GN-1001830 «поедает» или накапливает вокруг себя газ, необходимый ей для роста, с очень медленной скоростью, примерно в 100 раз ниже теоретического максимума.
Такая массивная черная дыра на столь раннем этапе существования Вселенной, которая при этом не растет, противоречит существующим моделям развития черных дыр. Однако, по мнению исследователей, наиболее вероятный сценарий заключается в том, что черные дыры проходят через короткие периоды сверхбыстрого роста, за которыми следуют длительные периоды покоя.
Как возникает такая черная дыра?
Стандартные модели образования черных дыр предполагают, что они возникают из разрушившихся останков массивных звезд и растут, накапливая окружающую материю до теоретического предела, предела Эддингтона. Этот предел представляет собой баланс между радиационным давлением, создаваемым перегретым газом, падающим в черную дыру, и ее гравитационным притяжением.
Однако черная дыра, обнаруженная Уэббом, кажется, не поддается этой теории. С массой, в 400 миллионов раз превышающей массу Солнца, кажется маловероятным, что она образовалась в результате стандартных процессов, учитывая ее молодой возраст в ранней Вселенной.
Одно из возможных объяснений заключается в том, что некоторые черные дыры могут «рождаться большими», то есть образовываться сразу с огромной массой, избегая длительных фаз аккреции, характерных для большинства черных дыр. Согласно другой гипотезе, они проходят через короткие периоды гиперактивного роста, увеличивая количество материи с исключительной скоростью, а затем проходят через длительные периоды покоя, такие как наблюдаемый здесь.
Гиперактивность и покой
Чтобы понять, как спящая черная дыра могла достичь такой огромной массы в столь молодой Вселенной, кембриджские исследователи в сотрудничестве с итальянскими коллегами провели серию компьютерных симуляций.
Эти модели показывают, что подобные черные дыры действительно могут быстро расти, превышая предел Эддингтона в течение коротких периодов гиперактивности, за которыми следуют очень долгие периоды покоя. Согласно расчетам, черная дыра может наращивать материю в течение 5-10 миллионов лет во время активной фазы, а затем оставаться в спящем состоянии более 100 миллионов лет.
В периоды бездействия аккреция газа резко замедляется, что уменьшает яркость аккреционного диска и делает черную дыру гораздо более сложной для обнаружения. Именно эта особенность может означать, что подобные спящие черные дыры встречаются гораздо чаще, чем считалось ранее.
Поиск спящих черных дыр
В данном случае необычайная масса черной дыры позволила наблюдать ее даже в спящем состоянии, что дало исследователям уникальную возможность оценить массу ее галактики-хозяина.
Исследователи предполагают, что эта черная дыра — лишь вершина гораздо большего айсберга. Если черные дыры проводят большую часть своей жизни в спящем состоянии, то в ранней Вселенной может быть скрыто гораздо больше черных дыр. «Удивительно, что нам удалось обнаружить одну из них, но это дает нам надежду на будущие открытия», — сказал профессор Роберто Майолино из Института Кавли и Кавендишской лаборатории Кембриджа, соавтор исследования.
Наблюдения были получены в рамках программы JWST Advanced Deep Extragalactic Survey (JADES). Исследование было частично поддержано Европейским исследовательским советом и Советом по научно-техническим объектам (STFC), входящим в состав Британского института исследований и инноваций (UKRI).