Древний квазар бросает вызов теориям: черная дыра превысила "космический лимит скорости"

Объект, известный как ID830 — чрезвычайно яркий и активный сверхмассивный черный дыра, испускающая огромные струи радиации из своих полюсов. Она также генерирует интенсивное рентгеновское излучение, создаваемое падающим веществом, которое закручивается вокруг ее темной пасти почти со скоростью света.

Черные дыры — самые прожорливые пожиратели во Вселенной, но даже у монстров есть предел насыщения. Когда они притягивают газ и пыль, этот материал накапливается в закручивающемся аккреционном диске. Гравитация тянет вещество из диска в черную дыру, но падающий материал генерирует радиационное давление, которое выталкивает вещество наружу и препятствует дальнейшему падению. В результате черные дыры сдерживаются саморегулирующимся процессом, называемым пределом Эддингтона.

Однако черные дыры могут временно обходить этот предел и переживать быстрые всплески роста при сверхэддингтоновском пределе. Исследователи предполагают множество механизмов для этой космической прожорливости. Например, черная дыра вполне может потреблять материю быстрее предела Эддингтона в течение короткого периода времени, прежде чем радиационное давление накопит энергию, достаточную для ограничения скорости аккреции.

Как черные дыры обходят ограничения

В качестве альтернативы, черная дыра может потреблять материю из диска вокруг своего экватора, в то время как внешнее радиационное давление выбрасывает материал из ее полюсов. В этой ситуации радиационное давление напрямую не противодействует притоку материи, что позволяет превысить предел Эддингтона. Существует множество геометрий, в которых это могло бы работать!

Сверхэддингтоновская механика может помочь согласовать модели роста сверхмассивных черных дыр с расширяющимся каталогом наблюдений ранней Вселенной. Благодаря своей исключительной инфракрасной чувствительности космический телескоп Джеймса Уэбба показал, что сверхмассивные черные дыры росли удивительно быстро и удивительно рано, бросая вызов всем ожиданиям.

Как же сверхмассивные черные дыры стали такими массивными так быстро? Некоторые ученые предполагают, что звезды населения III, первые и самые крупные звезды в космической истории, коллапсировали, породив "семена" черных дыр массой в 1000 и более солнечных масс.

Но даже этим массивным семенам потребовалось бы питаться на пределе Эддингтона более 650 миллионов лет, чтобы достичь некоторых из наблюдаемых размеров. Этот подвиг может казаться неосуществимым по нескольким причинам, включая огромное количество газа, необходимое для поддержания такого длительного пожирания.

Ускоряя рост черной дыры

Исследователи рассчитали скорость роста ID830, измерив его яркость в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. Его рентгеновская яркость предполагает, что ID830 накапливает массу примерно в 13 раз быстрее предела Эддингтона, из-за внезапного всплеска притока газа, который мог произойти, когда ID830 разорвал и поглотил небесное тело, подошедшее слишком близко.

Для сверхмассивной черной дыры такой массивности, как ID830, для этого потребовалась бы не обычная звезда главной последовательности, а более массивная звезда-гигант или огромное газовое облако. Такие сверхэддингтоновские фазы могут быть невероятно краткими — ожидается, что этот переходный период продлится примерно 300 лет.

Невозможное сочетание

ID830 также одновременно демонстрирует радио- и рентгеновское излучение. Эти две особенности не должны сосуществовать, особенно потому, что считается, что сверхэддингтоновская аккреция подавляет такое излучение. Это неожиданное сочетание указывает на физические механизмы, которые еще не полностью отражены в современных моделях экстремальной аккреции и запуска джетов.

В то время как ID830 испускает массивные радиоджеты, его рентгеновское излучение, по-видимому, исходит из структуры, называемой короной, создаваемой интенсивными магнитными полями аккреционного диска, формирующими тонкое, но турбулентное облако раскаленных частиц температурой в миллиард градусов. Эти частицы вращаются вокруг черной дыры почти со скоростью света в том, что НАСА называет "одной из самых экстремальных физических сред во Вселенной".

В совокупности нарушающее правила поведение ID830 предполагает, что он находится в редкой переходной фазе чрезмерного потребления — и выделения. Этот невероятный всплеск питания зарядил энергией как его джеты, так и его корону, заставляя ID830 ярко сиять в нескольких диапазонах длин волн по мере того, как он выбрасывает избыточное излучение.