Астрономы имеют неплохое представление о том, как формируется большинство черных дыр: Массивная звезда умирает, а после того, как она переходит в сверхновую, оставшаяся масса (если ее достаточно) рушится под действием собственной силы тяжести, оставляя за собой черную дыру, которая в пять раз больше массы нашего Солнца. Эта аккуратная история происхождения не может объяснить, откуда берутся сверхмассивные черные дыры, которые варьируются от 100 000 до десятков миллиардов раз больше массы Солнца. Эти чудовища существуют в центре почти всех галактик Вселенной, и некоторые из них появились лишь спустя 690 миллионов лет после Большого взрыва. В космическом плане это практически мгновение ока - не достаточно долго, чтобы звезда родилась, упала в черную дыру и съела массу, достаточную для того, чтобы стать супермассивной.
Одно из давних объяснений этой загадки, известное как теория прямого падения, предполагает, что древние черные дыры каким-то образом становились большими без пользы сверхновой стадии. Теперь пара исследователей из Западного университета в Онтарио, Канада-Шантану Басу и Арпан Дас нашли некоторые из первых твердых наблюдательных доказательств этой теории.
Квазары - это супермассивные черные дыры, которые непрерывно всасывают или накапливают большое количество материи; они получают особое название, потому что вещество, попадающее в них, излучает яркое излучение, что делает их более легкими для наблюдения, чем многие другие виды черных дыр. Распределение их масс - сколько их больше, сколько меньше и сколько находится между ними - является основным показателем того, как они образовались.
Проанализировав эту информацию, "Басу и Дас" предположили, что супермассивные черные дыры могли возникнуть в результате цепной реакции. Они не могут точно сказать, откуда взялись семена черных дыр, но думают, что знают, что случилось дальше. Каждый раз, когда одна из зарождающихся черных дыр аккрецирует материю, она будет излучать энергию, которая будет нагревать соседние газовые облака. Горячее газовое облако рушится легче, чем холодное; с каждым большим приемом пищи черная дыра излучала бы больше энергии, нагревая другие газовые облака, и так далее. Это соответствует выводам нескольких других астрономов, которые считают, что популяция сверхмассивных черных дыр увеличивалась с экспоненциальной скоростью в зародыше Вселенной.
Но в какой-то момент цепная реакция прекратилась. По мере того, как рождалось все больше черных дыр, звезд и галактик, которые начали излучать энергию и свет, газовые облака испарялись. "Общее поле излучения во Вселенной становится слишком сильным, чтобы позволить такому большому количеству газа непосредственно обрушиться", - говорит Басу. "И таким образом весь процесс подходит к концу." По его и Даса оценкам, цепная реакция длилась около 150 миллионов лет.
Общепринятый предел скорости роста черной дыры называется скоростью Эддингтона, баланс между внешней силой излучения и внутренней силой тяжести. Этот предел скорости теоретически может быть превышен, если вещество разрушается достаточно быстро; модель "Басу и Даса" предполагает, что черные дыры аккретировали вещество в три раза быстрее скорости Эддингтона в течение всего времени, пока протекала цепная реакция. Для астрономов, регулярно имеющих дело с числами в миллионах, миллиардах и триллионах, три из них весьма скромны.
"Если бы цифры оказались сумасшедшими, например, нужно было бы в 100 раз увеличить скорость нарастания Эддингтона, или период производства составил бы 2 миллиарда лет, или 10 лет, - говорит Басу, - то, вероятно, нам пришлось бы прийти к выводу, что модель неверна".
Существует множество других теорий о том, как можно создать черные дыры с прямым смещением: возможно, ореолы темной материи образовывали ультрамассивные квазизвезды, которые затем разрушались, или плотные скопления обычных массовых звезд сливались и затем разрушались.
Для "Басу и Даса" одной из сильных сторон их модели является то, что она не зависит от того, как были созданы гигантские семена. "Это не зависит от очень специфического сценария, определенной цепи событий, происходящих определенным образом", - говорит Басу. "Все это требует того, что некоторые очень массивные черные дыры действительно сформировались в ранней вселенной, и они образовались в процессе цепной реакции, и это продолжалось только короткое время".
Способность видеть формирующуюся сверхмассивную черную дыру все еще недоступна; существующие телескопы пока не могут смотреть так далеко назад. Но это может измениться в следующем десятилетии по мере появления новых мощных инструментов, включая космический телескоп Джеймса Вебба, широкоугольный инфракрасный съемочный телескоп и космическую антенну лазерного интерферометра, все из которых будут парить на низкой околоземной орбите, а также большой синоптический съемочный телескоп, базирующийся в Чили.