Вы, скорее всего, бывали в такой ситуации — дремали на диване после обильного или изысканного ужина. Аналогичное явление наблюдается с чёрной дырой, обнаруженной в ранней Вселенной. С помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб» (JWST), принадлежащего NASA, ESA и CSA, группа учёных обнаружила чёрную дыру, которая находится в состоянии покоя после поглощения слишком большого количества материи. Сонная чёрная дыра описана в исследовании, опубликованном 18 декабря в журнале Nature.
Ешь, спи, повторяй
Чёрная дыра находится в ранней Вселенной, существующей всего через 800 миллионов лет после Большого взрыва. Она также очень массивная. Её масса в 400 миллионов раз превышает массу нашего Солнца, и это одна из самых больших чёрных дыр, которые JWST наблюдал на данном этапе развития Вселенной. Она настолько велика, что составляет около 40 процентов от общей массы своей галактики. Для сравнения: большинство чёрных дыр в нашей галактике составляют всего около 0,1 процента от массы их родительской галактики.
Несмотря на такой огромный размер, черная дыра на самом деле аккрецирует – или поглощает – газ с очень низкой скоростью. По словам команды, его прирост всего лишь примерно в 100 раз ниже теоретического максимального предела. По сути, он находится в состоянии покоя. То, что такая огромная черная дыра, расположенная так рано в нашей вселенной, но при этом не растущая и не поглощающая массу,бросает вызов существующим моделям развития этих космических явлений.
Как правило, чёрные дыры обнаруживаются по характерному свечению вращающегося аккреционного диска. Этот диск формируется у краёв чёрной дыры, и газ в аккреционном диске становится очень горячим. Когда он становится достаточно горячим, он начинает светиться и излучать энергию в ультрафиолетовом диапазоне.
Команда считает, что наиболее вероятный сценарий заключается в том, что чёрные дыры проходят через короткие периоды сверхбыстрого роста, а затем — через длительные периоды покоя. Когда чёрные дыры «спят», как эта, они гораздо менее светятся. Из-за недостатка света их сложнее обнаружить даже с помощью высокочувствительных космических телескопов, таких как JWST. Однако эта чёрная дыра была достаточно большой.
«Несмотря на то, что эта чёрная дыра находится в состоянии покоя, её огромный размер позволил нам её обнаружить, — сказал в своём заявлении Игнас Юоджбалис, соавтор исследования и астрофизик из Кембриджского университета. — Её состояние покоя позволило нам также узнать о массе галактики-хозяина. В ранней Вселенной удалось создать настоящих монстров даже в относительно небольших галактиках».
Существует предел…
Согласно нашим современным астрономическим моделям, чёрные дыры образуются из остатков взорвавшихся звёзд. Затем они поглощают материю до прогнозируемого предела, который астрономы называют пределом Эддингтона. В этот момент давление излучения и материи преодолевает гравитационное притяжение чёрной дыры.
В данном случае сам размер спящей чёрной дыры говорит о том, что наши стандартные модели могут не полностью объяснять, как формируются и растут чёрные дыры такого размера.
«Возможно, что чёрные дыры «рождаются большими», и это может объяснить, почему Уэбб обнаружил огромные чёрные дыры в ранней Вселенной, — сказал в своём заявлении соавтор исследования и астрофизик из Кембриджа Роберто Майолино. — Но есть и другая возможность: они переживают периоды гиперактивности, за которыми следуют длительные периоды покоя».
... или так оно и есть?
Чтобы разобраться в этом подробнее, команда, проводившая новое исследование, провела ряд компьютерных симуляций, чтобы смоделировать, как эта спящая чёрная дыра могла вырасти до таких огромных размеров в самом начале существования Вселенной. Их результаты показывают, что наиболее вероятный сценарий заключается в том, что чёрные дыры могут на короткое время превышать предел Эддингтона. Когда они достигают этого порога, они очень быстро растут, а затем переживают длительный период бездействия. Команда исследователей считает, что такие чёрные дыры, как эта, вероятно, питаются примерно от пяти до 10 миллионов лет, а затем спят около 100 миллионов лет.
«Звучит нелогично объяснять, что спящая чёрная дыра переживает периоды гиперактивности, но эти короткие всплески позволяют ей быстро расти, в то время как большую часть времени она дремлет», — сказал Майолино.
Поскольку эти периоды покоя длятся гораздо дольше, чем периоды активного роста, астрономы с большей вероятностью обнаружат чёрные дыры, когда те «спят». Однако обнаружить спящие чёрные дыры по-прежнему сложно из-за того, как мало света они излучают. По словам учёных, этот пример, вероятно, является частью более масштабной тенденции, если чёрные дыры в ранней Вселенной проводят большую часть времени в таком состоянии покоя.
«Вполне вероятно, что подавляющее большинство чёрных дыр находятся в таком спящем состоянии, — сказал Майолино. — Я удивлён, что мы нашли эту, но я рад, что мы можем найти ещё много таких».