Чорні діри у ранньому Всесвіті, схоже, росли набагато швидше, ніж колись вважали вчені.
Астрономи давно намагаються пояснити, як чорні діри змогли досягти надмасивних розмірів на такому ранньому етапі історії Всесвіту. Спостереження, зокрема за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST), показують, що деякі з них виросли до мільйонів або навіть мільярдів мас Сонця всього за кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху. Це змусило вчених шукати механізм, здатний забезпечити настільки стрімке зростання. Нове дослідження ірландського Університету Мейнута (Maynooth University, MU), опубліковане в журналі Nature Astronomy, пропонує переконливе пояснення.
Дослідження показує, що ранній Всесвіт був значно більш бурхливим і непередбачуваним, ніж вважалося раніше. У цьому турбулентному середовищі невеликі чорні діри, що утворилися незабаром після Великого вибуху, були оточені величезними об’ємами щільного газу. Це дозволяло їм поглинати матерію з надзвичайною швидкістю та стрімко збільшувати масу.
«Ми виявили, що хаотичні умови раннього Всесвіту сприяли тому, що первинні, відносно малі чорні діри перетворювалися на надмасивні чорні діри після періоду надзвичайно інтенсивного живлення», — каже Даксал Мехта, аспірант кафедри фізики Університету Мейнута, який очолював дослідження.
Щоб перевірити цю ідею, команда використала високоточне комп’ютерне моделювання, здатне відстежувати поведінку газу та матерії навколо молодих чорних дір протягом перших кількох сотень мільйонів років космічної історії.
«За допомогою найсучасніших симуляцій ми побачили, що перше покоління чорних дір — ті, що виникли лише через кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху — зростали неймовірно швидко, перевищуючи масу Сонця в десятки тисяч разів», — пояснюють автори.
Розгадування давньої астрономічної загадки
«Цей результат допомагає розв’язати одну з найбільших загадок сучасної астрономії», — каже доктор Льюїс Прол, постдокторант Мічиганського університету і співавтор дослідження.
«Саме так чорні діри, які ми спостерігаємо за допомогою JWST у ранньому Всесвіті, змогли так швидко досягти надмасивних масштабів».
Ключовим є те, що чорні діри могли поглинати матерію зі швидкістю, значно вищою за так звану межу Еддінгтона, яка зазвичай вважається максимально стабільною. У сучасному Всесвіті інтенсивне випромінювання, що виникає під час акреції, відштовхує газ. Але в ранньому Всесвіті надзвичайна щільність матерії дозволяла чорним дірам продовжувати «харчування», незважаючи на цей бар’єр.
Переосмислення походження «насіння» чорних дір
Традиційно чорні діри поділяють на дві категорії:
- «Легке насіння» — чорні діри зоряної маси (від десятків до сотень мас Сонця), що виникають після вибухів наднових.
- «Важке насіння» — гіпотетичні об’єкти з початковою масою до ~100 000 мас Сонця, які могли формуватися безпосередньо з колапсу газових хмар.
Раніше вважалося, що саме важке насіння є єдиним поясненням появи надмасивних чорних дір у ранньому Всесвіті. Проте нові результати ставлять це під сумнів.
«Наші симуляції показують, що навіть чорні діри зоряної маси — умовно “звичайні” — можуть зростати надзвичайно швидко за правильних умов», — каже доктор Джон Ріган з Мічиганського університету, керівник дослідницької групи.
Наслідки для майбутніх космічних місій
Результати мають важливе значення для майбутньої місії LISA (Laser Interferometer Space Antenna) — спільного проєкту Європейського космічного агентства та NASA, запуск якої запланований на 2035 рік.
«LISA може зафіксувати гравітаційні хвилі від злиття цих ранніх, швидкозростаючих чорних дір», — зазначає Ріган.
«Це дозволить напряму перевірити наші моделі та краще зрозуміти, як формувалася структура Всесвіту».
Дослідження не лише змінює уявлення про походження чорних дір, але й показує, наскільки хаотичним і динамічним був ранній Всесвіт — значно активнішим, ніж передбачали попередні теорії.