Черные дыры могли рождаться сразу массивными


Наблюдения космического телескопа «Джеймс Уэбб» поставили перед астрономами сложный вопрос: как в ранней Вселенной появились черные дыры, которые выглядят слишком массивными для своего возраста?

Часть таких объектов наблюдается в эпоху, когда Вселенной было меньше миллиарда лет. Новая модельная работа предлагает сценарий, который может объяснить часть этой аномалии: некоторые ранние черные дыры могли начинаться с массивных зародышей — объектов в десятки и сотни тысяч масс Солнца, а не с легких остатков первых звезд.

Симуляции BRAHMA проверяли не наблюдения, а возможные сценарии рождения

Группа под руководством Акланта Боумика из Университета Вирджинии использовала космологические симуляции BRAHMA. Это не новое наблюдение черной дыры, а модельная работа: ученые проверяли, какие сценарии рождения лучше воспроизводят картину, которую «Джеймс Уэбб» показывает сейчас.

В симуляциях охватывались участки Вселенной размером от 18 до 72 мегапарсек. Исследователи отслеживали, как ранние черные дыры могли расти к эпохе красного смещения около 5, а затем — к современной Вселенной.

«Джеймс Уэбб» показал черные дыры, которые кажутся слишком крупными для своих галактик

Телескоп начал находить активные черные дыры в галактиках на красных смещениях от 4 до 7, а отдельные кандидаты уходят еще дальше — к z около 9–11. Часть этих объектов выглядит «переросшей» свои галактики: масса черной дыры в таких системах может превышать 1% от массы всех звезд в родительской галактике.

Для современной Вселенной это необычно: обычно сверхмассивные черные дыры и их галактики растут согласованно. Поэтому астрономы заговорили о сценарии массивных зародышей — начальных объектов, которые сразу были крупными и не нуждались в старте почти с нуля.

Частое появление массивных зародышей лучше объясняет наблюдения, чем редкое

В работе рассмотрели несколько вариантов. В «мягких» сценариях массивные зародыши появляются сравнительно часто — достаточно плотного и бедного металлами газа. Их начальные массы — около 10⁴–10⁵ масс Солнца.

В «строгом» сценарии такие зародыши возникают только при дополнительных условиях, похожих на сценарий прямого коллапса газа. В этом случае облако не должно распасться на обычные звезды, а должно сразу собрать массивный объект, который затем станет черной дырой.

Разница оказалась критической. Если массивные зародыши редки, симуляции хуже воспроизводят популяцию «переросших» черных дыр, которые видит «Джеймс Уэбб». Если они часты — симуляции дают несколько объектов с отношением массы черной дыры к массе звезд выше 1%, как раз в том диапазоне масс галактик от 100 млн до 1 млрд масс Солнца, где телескоп находит много кандидатов.

Авторы отдельно отмечают: даже в более мягких моделях средние массы черных дыр остаются примерно в 10 раз ниже, чем у самых экстремальных объектов «Джеймса Уэбба». Поэтому сценарий массивных зародышей помогает объяснить проблему, но не закрывает ее полностью.

Ранние черные дыры росли через слияния, а не только через поглощение газа

Обычно рост черной дыры представляют как поглощение газа. Но симуляции BRAHMA показали: на ранних этапах важную роль сыграли слияния.

Многие черные дыры набирали массу за счет появления массивных зародышей и последующих слияний друг с другом. Газовое питание становилось главным фактором позже, когда черные дыры уже вырастали до больших масс.

Ранние сверхмассивные черные дыры могли собираться не только как объекты, быстро поглощающие газ, но и как результат многократных слияний более мелких черных дыр.

Будущая обсерватория LISA сможет проверить сценарий по гравитационным волнам

Разные сценарии дают разные проверяемые последствия. Если массивные зародыши в ранней Вселенной образовывались часто, будущая космическая гравитационно-волновая обсерватория LISA должна увидеть много слияний черных дыр — свыше 100 событий в год.

Если же верен строгий и редкий сценарий, ожидаемая частота падает примерно до одного события в год.

LISA сможет проверить не только сам факт слияний, но и то, насколько часто в ранней Вселенной рождались крупные начальные черные дыры.

Современные малые галактики тоже помогут отличить один сценарий от другого

Если массивные зародыши рождались часто, то черные дыры должны встречаться даже в небольших галактиках сегодня. В «мягких» моделях доля малых галактик с черными дырами становится почти полной даже у галактик со звездной массой порядка 10 млн масс Солнца.

В «строгом» сценарии для галактик с массой звезд меньше 100 млн масс Солнца доля объектов с черными дырами остается ниже 10%.

Будущие обзоры малых галактик рядом с нами тоже могут помочь понять, как рождались первые крупные черные дыры.

Это не окончательное доказательство, а проверяемая гипотеза

Работа не доказывает, что все ранние черные дыры, найденные «Джеймсом Уэббом», начались с массивных зародышей. Это симуляция, а не прямое наблюдение.

Авторы также отмечают: массы некоторых объектов телескопа могут быть переоценены. Если это так, часть «слишком больших» черных дыр может оказаться менее проблемной для стандартных сценариев роста.

Но если нынешние оценки близки к реальности, массивные зародыши становятся одним из сильных объяснений. Они дают ранним черным дырам стартовую массу, которую не нужно наращивать с нуля.

Теперь эту идею можно проверять двумя путями: по слияниям черных дыр, которые должна увидеть LISA, и по тому, насколько часто черные дыры встречаются в малых галактиках сегодня.