Смоделированы условия появления первых сверхмассивных черных дыр

Горизонт событий сверхмассивной черной дыры в представлении нейрохудожника

Первые сверхмассивные черные дыры (СМЧД) могли начать формироваться всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Международная команда астрономов выяснила, какие условия во Вселенной были особенно подходящими для рождения космических монстров.

Речь идет о так называемых «тяжелых зародышах» черных дыр — объектах, которые могли возникать не после гибели отдельных звезд, а другим путем. Результаты исследования опубликованы в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Вселенная еще толком не проснулась, а черные дыры уже спешили расти

Проблема известна астрономам давно. Космический телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил в очень ранней Вселенной галактики, внутри которых уже находились кандидаты в «семена» сверхмассивных черных дыр. Но если предположить, что такие объекты начинаются с черных дыр звездной массы, то им вроде бы требовалось слишком много времени, чтобы вырасти до миллиардов солнечных масс.

Исследователи рассмотрели альтернативный сценарий — прямой коллапс. Согласно этой модели, огромные облака холодного газа могли практически сразу сжиматься в чрезвычайно массивные и плотные объекты, становившиеся зародышами СМЧД. Но для такого космического «экспресс-старта» подходило далеко не любое место.

Ученые объединили высокоточные компьютерные модели эволюции темной материи с расчетами формирования черных дыр и развития галактик. В результате удалось проследить, где во Вселенной возникали условия, благоприятные для прямого коллапса газа.

Черным дырам была нужна не пустота, а теснота

Расчеты показали: перспективными «родильными домами» для будущих гигантов были области с повышенной концентрацией вещества. В них сталкивались и сливались гало темной материи, а вокруг скапливались большие количества газа, пыли и молодых звезд.

Особенно интересным оказался период около 13,64 млрд лет назад — то есть 160 млн лет после Большого взрыва. Именно тогда, согласно модели, могли появляться массивные зародыши черных дыр посредством прямого коллапса.

Однако космическое окно возможностей оказалось не вечным. Примерно 13,5–13,4 млрд лет назад межгалактическая среда начала заметно обогащаться тяжелыми элементами. Их источником стали первые звезды населения III, которые завершали жизнь мощными взрывами сверхновых.

Это имело принципиальное значение: первозданный газ переставал соответствовать условиям, необходимым для прямого коллапса. Иными словами, первые звезды сами могли частично «закрыть дверь» для дальнейшего рождения тяжелых зародышей СМЧД.

Авторы предполагают, что будущие наблюдения «Джеймса Уэбба» смогут проверить эту картину. Один из ключей — поиск большого числа активных ядер галактик, связанных с очень далекими квазарами. Если такие объекты действительно окажутся многочисленными, это станет аргументом в пользу того, что первые сверхмассивные черные дыры предпочитали формироваться в особенно плотных участках молодой Вселенной.

Что уже находили вокруг древних черных дыр

Эта работа хорошо ложится в более широкую картину, которую постепенно складывают наблюдения ранней Вселенной. Например, на Hi-Tech Mail мы ранее писали о двух квазарах, находящихся примерно в 12,9 млрд световых лет от Земли. Их родительские галактики оказались необычайно массивными — около 60 и 40 млрд солнечных масс только по звездам и межзвездному газу, хотя Вселенной тогда было меньше миллиарда лет.

Еще одна публикация посвящена древнейшим квазарам, обнаруженным телескопом «Евклид». В частности, 31 найденный объект относится к эпохе, когда Вселенной было около 670 млн лет.