Новое исследование, проведённое группой астрофизиков, предлагает инновационную модель формирования сверхмассивных чёрных дыр (СМЧД) в ранней Вселенной. Эта модель может помочь объяснить недавние наблюдения космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST), которые бросили вызов современным теориям роста чёрных дыр.

JWST, мощный космический телескоп, способный наблюдать древние галактики в первый миллиард лет после Большого взрыва, обнаружил сверхмассивные чёрные дыры с массой от 1 до 10 миллиардов солнечных масс менее чем за 700 миллионов лет после Большого взрыва. Это противоречит существующим моделям, поскольку в ранней Вселенной не было достаточно времени для роста чёрных дыр до таких размеров путём слияний.

Источник: DALL-E

В новой модели, опубликованной на сервере препринтов arXiv, исследователи предлагают, что первичные чёрные дыры (PBH) могут быть недостающим звеном между чёрными дырами звёздной массы и СМЧД. PBH, теоретический тип чёрных дыр, могли образоваться в результате прямого коллапса плотных карманов субатомной материи в очень ранней Вселенной, до появления звёзд.

Согласно модели, PBH с массой около 30 солнечных масс группировались в областях с высокой плотностью, где также формировались гало тёмной материи. По мере роста гало барионная материя оседала в их «ямах» в виде охлаждённого газа. PBH аккрецировали барионы и теряли угловой момент в результате динамического трения о газ, собираясь в центральной области потенциальной «ямы» и образуя плотное ядро. После объединения в кластер происходил коллапс, который заканчивался формированием массивной чёрной дыры.

Иллюстрация процесса образования PBH семян сверхмассивных чёрных дыр. (Слева) По мере того, как газ охлаждается, он оседает в центре гравитационного потенциала тёмной материи. (В центре) PBH теряют угловой момент из-за динамического трения газа и концентрируются в ядре гало DM. (Справа) Двойные PBH быстро образуются и сливаются из-за своей высокой плотности. Конечным результатом является неуправляемый процесс слияния, который и создаёт семена сверхмассивных чёрных дыр. Источник: Ziparo et al, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2411.03448

Эта модель может объяснить ранние сверхмассивные чёрные дыры, наблюдаемые JWST. Кроме того, исследователи предлагают способ проверить свою модель с помощью будущих наблюдений телескопа «Эйнштейн», обсерватории гравитационных волн, которая будет гораздо более чувствительной, чем существующие детекторы. Во время разгонной фазы предполагаемого процесса формирования семян PBH должны испускать гравитационные волны, которые можно будет обнаружить.

Полное понимание сверхмассивных чёрных дыр ещё далеко, но их роль имеет важное значение для объяснения крупномасштабной структуры Вселенной.

Подробнее на iXBT