Давняя загадка ранних сверхмассивных черных дыр наконец-то раскрыта

За последние несколько лет, когда мы смогли заглянуть все глубже и глубже в раннюю Вселенную, астрономы открыли нечто чрезвычайно загадочное.

До того, как Вселенной исполнился миллиард лет, гигантские черные дыры, масса которых в миллиард раз превышает массу Солнца, уже каким-то образом сформировались. Учитывая то, что мы знаем о формировании и росте черных дыр, чрезвычайно сложно объяснить присутствие и размер этих гигантов. Как они туда попали, так скоро после Большого Взрыва? И как они стали такими чертовски большими?

Теперь моделирование на суперкомпьютере выявило происхождение, которое объясняет, как они образовались без необходимости в экзотических условиях: редкие резервуары турбулентного холодного газа, которые коллапсировали в звезды, более массивные, чем что-либо еще. во Вселенной сегодня. Это были огромные семена, из которых выросли сверхмассивные черные дыры.

«Сегодня мы находим сверхмассивные черные дыры в центрах самых массивных галактик, масса которых может быть в миллионы или миллиарды раз больше массы Солнца. Но еще в 2003 году мы начали находить квазары — очень яркие, активно аккумулирующиеся сверхмассивные черные дыры, похожие на космические маяки в ранней Вселенной, — которые существовали менее чем через миллиард лет после Большого взрыва», — сказал космолог Дэниел Уэлен из Портсмутского университета. в Великобритании.

«Никто не понимал, как они образовались в столь ранние времена. Это открытие особенно волнует, потому что оно перевернуло 20-летние представления о происхождении первых сверхмассивных черных дыр во Вселенной».

Есть две основные точки зрения на то, как образуются сверхмассивные черные дыры. Первая — восходящая модель. Одна массивная звезда умирает, обычно оставляя после себя черную дыру примерно в 100 раз больше массы Солнца.

Со временем — много-много времени — черная дыра поглощает кучу материала, растущего все больше и больше, пока не станет в миллионы или миллиарды раз больше массы Солнца. Это чрезвычайно трудно примирить с квазарами в ранней Вселенной.

Другой вариант — если вы начнете с действительно крупной черной дыры, масса которой в 100 000 раз превышает массу Солнца. Звезды, которые коллапсировали, чтобы образовать эти черные дыры, прожили очень, очень короткую космическую жизнь, может быть, 250 000 лет, прежде чем схлопнуться в черную дыру.

Сегодня нет известных звезд такой массы, и мы не известно ни о каком текущем механизме формирования, который мог бы их произвести. Но моделирование показало, что в ранней Вселенной, когда условия сильно отличались от сегодняшних, теоретически такие звезды могли образоваться на стыках редких, но мощных потоков плотного, турбулентного, холодного газа.

Думали космологи. для этого потребуются действительно экзотические условия, такие как фон сильного ультрафиолетового излучения или сверхзвуковые потоки между газом и темной материей. И ни одно из этих экзотических условий не походило на среду, в которой были обнаружены эти ранние квазары Вселенной.

Во главе с астрофизиком Мухаммадом Латифом из Университета Объединенных Арабских Эмиратов в ОАЭ исследователи провели моделирование газовых потоков и пришли в восторг чтобы обнаружить, что сверхмассивные черные дыры образовались на пересечениях этих потоков спонтанно, без необходимости в экзотических условиях.

В моделировании турбулентность, создаваемая пересекающимися потоками, не позволяет нормальным звездам, таким как те, которые мы видим сегодня , от формирования. Обычно это происходит, когда плотный узел вещества в холодном облаке схлопывается под действием гравитации, образуя молодую звезду, но когда турбулентность слишком велика, условия недостаточно стабильны, чтобы это могло произойти.

Однако, в конце концов облако в симуляции стало настолько массивным, что катастрофически распалось на две гигантские звезды, масса которых в 31 000 и 40 000 раз превышает массу Солнца.

По мере того как газ из потоков продолжает поступать в облака, сверхмассивная черная дыра, в миллиарды раз превышающая массу Солнца, может образоваться и вырасти всего за несколько сотен миллионов лет.

«Следовательно, единственные первичные облака, которые могли образовать квазар сразу после космического рассвета – когда сформировались первые звезды во Вселенной, а также создали свои собственные массивные семена. Этот простой и красивый результат объясняет не только происхождение первых квазаров, но и их демографию — их количество в ранние времена», — заключил Уэлен.

«Первые сверхмассивные черные дыры были просто естественным следствием Влияние формирования структуры в космологиях холодной темной материи – дети космической паутины.»

Исследование опубликовано в Nature.