700 миллионов лет после Большого взрыва — именно в такую молодую эпоху уже существовали объекты, содержащие сверхмассивные чёрные дыры. Их масса достигала миллионов и даже миллиардов масс Солнца. Новое исследование астрофизиков предлагает объяснение этой загадки: гигантские чёрные дыры могли вырастать благодаря многократным столкновениям звёзд в чрезвычайно плотных скоплениях. Эта модель также может объяснить природу загадочных маленьких красных точек, обнаруженных телескопом «Джеймс Уэбб».
Почему астрономы ищут ответ на загадку чёрных дыр?
С 2022 года космический телескоп «Джеймс Уэбб» обнаруживает необычные компактные объекты, получившие название «маленькие красные точки». Они находятся на огромных расстояниях от Земли и относятся к эпохе, когда Вселенной ещё не исполнился миллиард лет.
Особенность этих объектов заключается в сочетании высокой светимости и небольших размеров. Согласно существующим моделям, массы чёрных дыр, которые могут находиться внутри них, значительно превышают значения, ожидаемые с учётом массы звёздного населения.
Возникает фундаментальный вопрос: каким образом чёрные дыры успели стать настолько массивными за сравнительно короткий космический период? Обычный сценарий предполагает образование чёрной дыры после гибели массивной звезды. Однако такие объекты обычно имеют массу от 10 до 100 масс Солнца. Чтобы достичь миллионов солнечных масс, им необходимо значительно увеличиться.
Новые исследования предлагают рассматривать не только последующий рост уже существующих чёрных дыр, но и условия, в которых могли появляться необычайно массивные первоначальные объекты.
Что на самом деле показывают научные исследования?
Команда астрофизиков под руководством Клэр Уильямс из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе исследовала поведение звёзд в чрезвычайно плотных скоплениях ранней Вселенной. Результаты работы опубликованы в журнале Astrophysical Journal.
Исследователи построили аналитическую модель столкновений звёзд, используя начальные условия из подробных космологических симуляций. Затем расчёты проверили методом Монте-Карло. Моделирование показало, что исход столкновения зависит прежде всего от скорости движения звёзд.
При достаточно медленном столкновении звёзды могут не разрушаться, а сливаться. Образовавшийся объект постепенно перемещается к центру скопления под воздействием динамического трения. Там он способен участвовать в новых столкновениях, последовательно увеличивая свою массу.
Особенно впечатляющие результаты получены для скоплений с плотностью более 100 тысяч солнечных масс на кубический парсек. В таких условиях, согласно модели, практически все рассмотренные системы небольшой начальной массы способны сформировать очень массивную звезду, превышающую 200 масс Солнца.
В наиболее плотных скоплениях масса такого объекта может превысить 100 тысяч солнечных масс. После исчерпания запасов топлива и гравитационного коллапса он способен превратиться в чёрную дыру промежуточной массы, которая впоследствии может стать основой для формирования сверхмассивного объекта.
Авторы также рассматривают другую сторону процесса. Если в центре скопления уже находится массивная чёрная дыра, её гравитация разгоняет окружающие звёзды. Столкновения становятся более разрушительными, а выброшенное звёздное вещество формирует плотную газовую среду. Этот газ может стать топливом для дальнейшего роста чёрной дыры.
- Чёрная дыра промежуточной массы
- Объект с массой примерно от 100 до 100 тысяч масс Солнца.
- Динамическое трение
- Процесс, при котором взаимодействие с окружающим веществом приводит к постепенному изменению движения массивного объекта.
- Аккреция
- Накопление вещества вокруг массивного объекта, включая чёрную дыру, за счёт его гравитационного притяжения.
- Маленькие красные точки
- Компактные яркие объекты ранней Вселенной, обнаруженные космическим телескопом «Джеймс Уэбб».
Как учёные проверяют эту гипотезу?
Исследование не ограничивается теоретическими рассуждениями. Учёные сопоставили аналитические расчёты с результатами компьютерного моделирования, а также сравнили предложенный сценарий с наблюдениями далёких звёздных скоплений, которые телескоп «Джеймс Уэбб» способен изучать благодаря гравитационному линзированию.
Дополнительный интерес представляет объект QSO1, появившийся приблизительно через 700 миллионов лет после Большого взрыва. Астрофизики из Университета Джонса Хопкинса изучили его как возможную подсказку к происхождению первых чёрных дыр. Объект почти полностью состоит из водорода и гелия и практически не содержит более тяжёлых элементов.
В исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, специалисты рассмотрели три возможных сценария формирования QSO1. Прямое образование столь массивной чёрной дыры исключается ограничениями, связанными с искажениями реликтового излучения. Иерархические слияния небольших первичных чёрных дыр возможны, но требуют существования крайне редких плотных гало тёмной материи.
Наиболее подходящим объяснением авторы считают аккрецию газа на первичную чёрную дыру промежуточной массы. Такой подход позволяет связать наблюдаемые характеристики объекта с возможным механизмом его роста.
Какие представления о чёрных дырах требуют уточнения?
Новые результаты помогают разобраться в нескольких распространённых заблуждениях.
- Все чёрные дыры образуются одинаково. Нет. Модели допускают разные пути формирования, включая коллапс отдельных массивных звёзд и образование гигантских звёзд вследствие повторных столкновений.
- Сверхмассивная чёрная дыра обязательно должна расти только за счёт поглощения звёзд. Исследования рассматривают также накопление газа и взаимодействие с окружающей средой.
- Маленькие красные точки уже доказали существование первичных чёрных дыр. Нет. Наблюдения позволяют проверять различные сценарии, но сами по себе не подтверждают окончательно происхождение этих объектов.
- Любое столкновение звёзд приводит к их уничтожению. Согласно моделированию, медленные столкновения могут завершаться слиянием, тогда как быстрые чаще приводят к разрушению.
Таким образом, важнейшую роль играют плотность звёздного окружения и скорость их движения. Различия в этих условиях способны привести к совершенно разным результатам.
Что учёные продолжат изучать?
Несмотря на полученные результаты, происхождение сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной остаётся открытым вопросом. Компьютерная модель демонстрирует физически возможный механизм, однако не доказывает, что именно так сформировались все наблюдаемые объекты.
Одно из главных направлений дальнейшей работы — определение того, какая доля маленьких красных точек действительно может иметь первичное происхождение. Для этого потребуется изучить больше объектов и сопоставить их характеристики с различными сценариями формирования.
Необходимо также уточнить, насколько часто в ранней Вселенной возникали достаточно плотные звёздные скопления и могли ли они обеспечить условия для многократных слияний. Ответы на эти вопросы помогут установить, насколько значительным был предложенный механизм в истории формирования галактик.
Для астрономии это особенно важно: объяснение происхождения первых массивных чёрных дыр позволит лучше понять, как сравнительно небольшие первоначальные структуры превратились в гигантские объекты, существующие в центрах галактик.
Часто задаваемые вопросы
Почему сверхмассивные чёрные дыры ранней Вселенной удивляют учёных?
Некоторые из них существовали менее чем через миллиард лет после Большого взрыва и уже обладали массами в миллионы или миллиарды масс Солнца. Обычные остатки отдельных погибших звёзд намного легче, поэтому требуется объяснение столь быстрого роста.
Как столкновения звёзд помогают образовывать чёрные дыры?
В плотных скоплениях медленные столкновения могут приводить к слиянию звёзд. Повторение этого процесса позволяет сформировать гигантский объект, который после гравитационного коллапса способен оставить массивную чёрную дыру.
Что такое маленькие красные точки, обнаруженные телескопом «Джеймс Уэбб»?
Это компактные и очень яркие объекты ранней Вселенной. Некоторые исследователи предполагают, что в их центре находятся быстрорастущие чёрные дыры, однако их точная природа ещё изучается.
Может ли новая гипотеза полностью объяснить происхождение чёрных дыр?
Пока нет. Исследование предлагает возможный механизм формирования массивных зародышей чёрных дыр, но не доказывает, что он объясняет происхождение всех сверхмассивных объектов ранней Вселенной.
Когда появились первые сверхмассивные чёрные дыры?
Наблюдения телескопа «Джеймс Уэбб» выявили такие объекты в эпоху, когда возраст Вселенной ещё не достигал миллиарда лет. Один из изучаемых объектов QSO1 существовал приблизительно через 700 миллионов лет после Большого взрыва.