Международная группа исследователей обнаружила сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной, существование которых крайне трудно объяснить стандартными моделями космологии и эволюции галактик. Новые наблюдения показывают, что некоторые «монструозные» черные дыры появились намного раньше, чем предполагали современные теории, и росли с невероятной скоростью.
Проблема настолько серьезна, что ученые все чаще говорят о необходимости пересмотра существующих сценариев формирования первых галактик и сверхмассивных черных дыр.
Главный вопрос остается прежним: как объекты массой в миллиарды Солнц смогли появиться всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.
Что такое сверхмассивные черные дыры
Сверхмассивные черные дыры — крупнейшие известные черные дыры во Вселенной.
Их масса может составлять:
- миллионы;
- сотни миллионов;
- миллиарды масс Солнца.
Практически каждая крупная галактика имеет такую черную дыру в центре.
Например:
- в центре Milky Way находится Sagittarius A*;
- в центре галактики M87 расположена черная дыра массой около 6,5 миллиарда Солнц.
Почему ранние черные дыры стали проблемой для науки
Согласно стандартной космологической модели, после Большого взрыва прошло определенное время, прежде чем начали формироваться:
- первые звезды;
- первые галактики;
- первые тяжелые элементы;
- первые черные дыры.
Первые черные дыры, вероятно, возникали после гибели массивных звезд.
Изначально они должны были иметь сравнительно небольшую массу — обычно от нескольких до десятков солнечных масс.
Затем объекты постепенно росли за счет:
- поглощения газа;
- аккреции вещества;
- столкновений;
- слияний с другими черными дырами.
Но новые наблюдения показывают, что некоторые гигантские черные дыры появились слишком быстро.
Телескоп James Webb усилил космологическую проблему
После запуска James Webb Space Telescope астрономы начали видеть раннюю Вселенную с беспрецедентной детализацией.
JWST способен наблюдать очень далекие объекты, свет от которых шел к Земле более 13 миллиардов лет.
Именно эти наблюдения стали источником новых вопросов.
Телескоп обнаружил:
- яркие ранние квазары;
- массивные молодые галактики;
- активные ядра галактик;
- признаки огромных черных дыр в очень ранние эпохи.
Многие объекты существовали уже через 500–700 миллионов лет после Большого взрыва.
По космическим меркам это чрезвычайно мало.
Что такое квазары
Квазары — одни из самых ярких объектов во Вселенной.
Их свет возникает не от звезд, а из-за активности сверхмассивной черной дыры.
Когда вещество падает в черную дыру:
- формируется аккреционный диск;
- газ разогревается до огромных температур;
- возникает мощное излучение. (esa.int)
Некоторые квазары светят ярче целых галактик.
Именно благодаря огромной яркости астрономы могут видеть их на колоссальных расстояниях.
Главная проблема — нехватка времени
Современные модели роста черных дыр основаны на ограничении скорости аккреции.
Существует так называемый предел Эддингтона.
Если черная дыра поглощает слишком много вещества слишком быстро:
- усиливается излучение;
- давление света начинает выталкивать газ;
- дальнейший рост замедляется.
С учетом этого ограничения черным дырам требуются сотни миллионов или даже миллиарды лет для роста до гигантских размеров.
Но наблюдаемые объекты просто не успевают вырасти в рамках стандартных сценариев.
Некоторые черные дыры уже тогда имели миллиарды солнечных масс
Исследования показывают, что отдельные ранние квазары содержали черные дыры массой:
- более миллиарда Солнц;
- иногда несколько миллиардов солнечных масс.
Это делает проблему одной из самых серьезных в современной астрофизике.
Возможное объяснение — «тяжелые семена»
Один из главных вариантов предполагает существование так называемых «тяжелых семян».
Согласно этой модели, первые черные дыры могли возникать не из обычных звезд, а напрямую из огромных газовых облаков.
В этом случае начальная масса могла составлять:
- десятки тысяч;
- сотни тысяч;
- даже миллионы солнечных масс.
Тогда дальнейший рост происходил бы значительно быстрее.
Прямой коллапс газа остается спорной гипотезой
Для прямого образования гигантской черной дыры требуются очень специфические условия:
- огромные массы газа;
- слабое охлаждение;
- подавление звездообразования;
- высокая плотность вещества.
Пока ученые не уверены, насколько часто подобные условия существовали в молодой Вселенной.
Слияния черных дыр могли ускорять рост
Еще один важный механизм — многократные слияния.
В ранней Вселенной галактики сталкивались намного чаще.
При столкновениях:
- черные дыры сближались;
- орбиты разрушались;
- происходили слияния;
- формировались более массивные объекты.
Наблюдения гравитационных волн подтверждают, что слияния черных дыр действительно происходят регулярно.
Гравитационные волны открыли новую эпоху астрономии
После запуска детекторов LIGO и Virgo ученые впервые получили возможность напрямую регистрировать столкновения черных дыр.
Гравитационные волны — это рябь пространства-времени, предсказанная Albert Einstein.
Albert Einstein
Сейчас астрономы уже зарегистрировали множество подобных событий.
Некоторые из сталкивающихся объектов оказались значительно массивнее, чем ожидалось.
Это усилило интерес к сценарию «каскадного роста» черных дыр через последовательные слияния.
Возможно, первые звезды были намного массивнее
Еще одна гипотеза связана с Population III — первыми звездами Вселенной.
Считается, что они:
- почти не содержали тяжелых элементов;
- могли иметь огромную массу;
- быстро заканчивали жизнь;
- оставляли массивные черные дыры. (nasa.gov)
Если первые звезды действительно были гигантскими, начальные черные дыры могли быть значительно крупнее современных звездных остатков.
Ранняя Вселенная была гораздо более хаотичной
Первые эпохи космоса сильно отличались от современной Вселенной.
Тогда:
- плотность вещества была выше;
- газа было значительно больше;
- галактики часто сталкивались;
- звездообразование происходило бурно.
Все это могло ускорять рост сверхмассивных объектов.
Некоторые ученые говорят о кризисе стандартной модели
Новые наблюдения не означают, что современная космология ошибочна полностью.
Но они показывают, что существующие модели могут быть неполными.
Проблемы возникают сразу в нескольких областях:
- скорости роста галактик;
- формирования звезд;
- появления тяжелых элементов;
- эволюции черных дыр.
JWST фактически заставил астрономов пересматривать представления о ранней Вселенной.
Черные дыры тесно связаны с эволюцией галактик
Современные исследования показывают, что сверхмассивные черные дыры и галактики развиваются совместно.
Между ними существует связь:
- масса черной дыры коррелирует с массой галактики;
- активность ядра влияет на звездообразование;
- выбросы энергии меняют распределение газа.
Это означает, что понимание происхождения черных дыр критически важно для понимания всей истории Вселенной.
Будущие телескопы могут дать ответ
В ближайшие годы ученые рассчитывают получить новые данные благодаря:
- дальнейшим наблюдениям JWST;
- Extremely Large Telescope;
- Nancy Grace Roman Space Telescope;
- космическому детектору гравитационных волн LISA.
Особенно важными станут наблюдения самых ранних эпох космоса.
Некоторые объекты могут оказаться еще древнее
С каждым годом астрономы обнаруживают все более удаленные галактики и квазары.
Это означает, что проблема ранних гигантских черных дыр может стать еще серьезнее.
Не исключено, что будущие наблюдения найдут объекты, существовавшие всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва, но уже обладавшие массой в миллиарды Солнц.
Загадка гигантских черных дыр остается одной из главных в современной астрофизике
Сегодня ученые не имеют единого ответа на вопрос происхождения сверхмассивных черных дыр.
Наиболее вероятно, что реальный механизм включает сразу несколько процессов:
- быстрый коллапс газа;
- сверхбыструю аккрецию;
- многочисленные слияния;
- необычные свойства ранней Вселенной.
Но окончательной модели пока не существует.
Каждое новое наблюдение дальнего космоса показывает, что ранняя Вселенная могла быть значительно более активной, сложной и динамичной, чем предполагалось еще несколько лет назад.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
