Вчені розповіли, що відбувалося у Всесвіті в перші моменти після Великого вибуху

Надмасивні чорні діри є одними з найбільш вражаючих (і страшних) об’єктів у Всесвіті – їх маса приблизно в мільярд разів перевищує масу Сонця. І ми знаємо, що вони існують уже давно. Насправді астрономи виявили надзвичайно яскраві компактні джерела, розташовані в центрах галактик, відомі як квазари (швидко зростаючі надмасивні чорні діри), коли Всесвіту було менше 1 мільярда років.

Тепер наше нове дослідження, опубліковане в Astrophysical Journal Letters, використало спостереження космічного телескопа Hubble, щоб показати, що в ранньому Всесвіті було набагато більше (набагато менш яскравих) чорних дір, ніж припускали попередні оцінки. Цікаво, що це може допомогти нам зрозуміти, як вони утворилися – і чому багато з них видаються масивнішими, ніж очікувалося.

Чорні діри ростуть, поглинаючи матеріал, який їх оточує, у процесі, відомому як акреція. Це створює величезну кількість радіації. Тиск цього випромінювання накладає фундаментальне обмеження на швидкість росту чорних дір. Тому вчені зіткнулися з проблемою пояснення цих ранніх масивних квазарів: не маючи багато космічного часу для живлення, вони повинні були або вирости швидше, ніж фізично можливо, або народитися напрочуд масивними.

Але як взагалі утворюються чорні діри? Існує декілька можливостей. Перший полягає в тому, що так звані первісні чорні діри існували незабаром після Великого вибуху. Хоча це ймовірно для чорних дір з малою масою, масивні чорні діри не можуть утворитися у значній кількості відповідно до стандартної моделі космології.

Чорні діри безумовно можуть утворюватися (тепер підтверджено астрономією гравітаційних хвиль) на останніх стадіях короткого життя деяких нормальних масивних зірок. Такі чорні діри в принципі можуть швидко рости, якщо утворюються в надзвичайно щільних зоряних скупченнях, де зірки та чорні діри можуть зливатися. Саме ці «зерна зоряної маси» чорних дір мали б вирости занадто швидко.

Альтернативою є те, що вони можуть утворитися з «важкого насіння» з масою приблизно в 1000 разів більшою за відомі масивні зірки. Одним із таких механізмів є «прямий колапс», у якому ранні структури невідомої невидимої речовини, відомої як темна матерія, утримували газові хмари, тоді як фонове випромінювання перешкоджало їм утворювати зірки. Натомість вони зруйнувалися в чорні діри.

Проблема в тому, що лише незначна кількість ореолів темної матерії стає достатньо великою, щоб утворити таке насіння. Тож це працює лише як пояснення, якщо ранні чорні діри досить рідкісні.

Забагато чорних дір

Протягом багатьох років ми мали хорошу картину того, скільки галактик існувало за перший мільярд років космічного часу. Але виявлення чорних дір у цих середовищах було надзвичайно складним завданням (можна було підтвердити лише сяючі квазари).

Хоча чорні діри ростуть, заковтуючи навколишній матеріал, це не відбувається з постійною швидкістю – вони розбивають своє харчування на «їжу», через що їх яскравість змінюється з часом. Ми спостерігали за змінами яскравості деяких із найдавніших галактик протягом 15 років і використали це, щоб зробити новий перепис кількості чорних дір. Виявляється, у звичайних ранніх галактиках міститься в кілька разів більше чорних дір, ніж ми спочатку думали.

Інші нещодавні піонерські роботи з космічним телескопом Джеймса Вебба (JSTW) почали доходити до подібних висновків. Загалом ми маємо більше чорних дір, ніж може утворитися шляхом прямого колапсу.

Існує інший, більш екзотичний, спосіб утворення чорних дір, які можуть виробляти насіння, яке є одночасно масивним і рясним. Зірки утворюються шляхом гравітаційного стиснення газових хмар: якщо значна кількість частинок темної матерії може бути захоплена під час фази стиснення, то внутрішня структура може бути повністю змінена – і ядерне займання запобігти.

Таким чином, зростання може тривати у багато разів довше, ніж типовий термін життя звичайної зірки, дозволяючи їм стати набагато масивнішими. Однак, як і звичайні зірки та об’єкти прямого колапсу, ніщо врешті-решт не може протистояти непереборній силі тяжіння. Це означає, що ці «темні зірки» також повинні з часом колапсувати, утворюючи масивні чорні діри.

Тепер ми вважаємо, що процеси, подібні до цього, мали відбутися для утворення великої кількості чорних дір, які ми спостерігаємо в новонародженому Всесвіті.

Плани на майбутнє

Дослідження раннього утворення чорних дір зазнали трансформації за останні два роки, але в певному сенсі ця сфера тільки починається. Нові обсерваторії в космосі, такі як місія Евкліда або Римський космічний телескоп Ненсі Грейс, доповнять наш перелік слабших квазарів на ранніх етапах. Місія NewAthena та масив квадратних кілометрів в Австралії та Південній Африці розкриють наше розуміння багатьох процесів, що оточували чорні діри в ранні часи.

Але це справді JWST, за яким ми повинні спостерігати найближчим часом. Завдяки його чутливості для отримання зображень і моніторингу, а також спектроскопічним можливостям спостерігати дуже слабку активність чорних дір, ми очікуємо, що наступні п’ять років справді фіксуватимуть кількість чорних дір під час формування перших галактик.

Ми навіть можемо помітити утворення чорної діри на місці, спостерігаючи вибухи, пов’язані з колапсом перших незайманих зірок. Моделі кажуть, що це можливо, але це вимагатиме скоординованих і цілеспрямованих зусиль астрономів.