Наконец-то раскрыта давняя загадка ранних сверхмассивных черных дыр

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

До того, как Вселенной исполнился миллиард лет, уже каким-то образом образовались гигантские черные дыры, масса которых более чем в миллиард раз превышает массу Солнца. Учитывая то, что мы знаем о формировании и росте черных дыр, присутствие и размеры этих бегемотов крайне сложно объяснить. Как они там оказались, так скоро после Большого взрыва? И как они стали такими огромными?

Теперь суперкомпьютерное моделирование показало происхождение, которое объясняет, как они образовались без необходимости в экзотических условиях: редкие резервуары турбулентного холодного газа, которые коллапсировали в звезды, более массивные, чем все, что есть во Вселенной сегодня. Это были бы огромные семена, которые выросли в сверхмассивные черные дыры.

"Сегодня мы находим сверхмассивные черные дыры в центрах большинства массивных галактик, которые могут быть в миллионы или миллиарды раз массивнее Солнца. Но еще в 2003 году мы начали находить квазары - очень светящиеся, активно размножающиеся сверхмассивные черные дыры, похожие на космические маяки в ранней Вселенной, - которые существовали менее чем через миллиард лет после Большого взрыва", - говорит космолог Дэниел Уолен из Портсмутского университета в Великобритании.

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

Существует две основные школы мысли о том, как формируются сверхмассивные черные дыры. Первая - это модель "снизу вверх". Одна массивная звезда умирает, обычно оставляя после себя черную дыру, примерно в 100 раз превышающую массу Солнца.

Со временем - много-много времени - черная дыра поглощает кучу материала, становясь все больше и больше, пока ее масса не превысит массу Солнца в миллионы и миллиарды раз. Это очень трудно согласовать с квазарами в ранней Вселенной.

Другой вариант - если начать с очень большой черной дыры, масса которой в 100 000 раз больше массы Солнца. Звезды, которые разрушились, образовав эти черные дыры, имели бы очень, очень короткую космическую жизнь, может быть, 250 000 лет, прежде чем разрушиться в черную дыру.

Сегодня не существует звезд такой массы, и мы не знаем ни одного современного механизма образования, который мог бы их породить. Но моделирование показало, что в ранней Вселенной, когда условия довольно сильно отличались от современных, теоретически такие звезды могли образоваться на стыках редких, но мощных потоков плотного, турбулентного, холодного газа.

Космологи считали, что для этого потребуются какие-то действительно экзотические условия, например, фон сильного ультрафиолетового излучения или сверхзвуковые потоки между газом и темной материей. Но ни одно из этих экзотических условий не походило на среду, в которой были обнаружены квазары ранней Вселенной.

Под руководством астрофизика Мухаммада Латифа из Университета Объединенных Арабских Эмиратов в ОАЭ исследователи провели моделирование потоков газа и с радостью обнаружили, что сверхмассивные черные дыры образуются на пересечении этих потоков спонтанно, без необходимости создания экзотических условий.

В моделировании турбулентность, создаваемая пересекающимися потоками, не позволяет формироваться обычным звездам, таким как те, которые мы видим сегодня. Обычно это происходит, когда плотный узел материала в холодном облаке разрушается под действием гравитации, образуя звезду-малыша, но когда турбулентность слишком велика, условия недостаточно стабильны для этого.

Однако в конечном итоге облако в моделировании стало настолько массивным, что катастрофически развалилось на две гигантские звезды, масса которых в 31 000 и 40 000 раз превышает массу Солнца.

Поскольку газ из потоков продолжает поступать в облака, сверхмассивная черная дыра, в миллиарды раз превышающая массу Солнца, может сформироваться и вырасти всего за несколько сотен миллионов лет.

"Следовательно, единственные первозданные облака, которые могли сформировать квазар сразу после космического рассвета - когда образовались первые звезды во Вселенной - также удобно создали свои собственные массивные семена. Этот простой и красивый результат объясняет не только происхождение первых квазаров, но и их демографию - их численность в ранние времена", - заключил Уолен.

"Первые сверхмассивные черные дыры были просто естественным следствием формирования структур в космологии холодной темной материи - дети космической паутины".

Исследование было опубликовано в журнале Nature.