Насколько массивной может быть звезда? Этот предел зависит от доступной массы. Одна звезда может быть столь же массивной, как целая галактика. Чтобы "накормить" такого гиганта, необходимо, чтобы огромное облако газа коллапсировало, не фрагментируясь в процессе на более мелкие компоненты. В статье, опубликованной 30 лет назад в соавторстве с Фредом Расио, я предположил, что такой коллапс первичных газовых облаков мог послужить основой для формирования первых сверхмассивных черных дыр. Эти черные дыры сейчас наблюдаются в виде квазаров с красным смещением до 10, что соответствует всего лишь 500 миллионам лет после Большого взрыва.
Звезда, чья масса превышает тысячу солнечных, исчерпает свое ядерное топливо всего за несколько миллионов лет и, скорее всего, коллапсирует в черную дыру. Такая звезда светится близко к предельной яркости, так называемой эддингтоновской светимости — названной в честь британского астронома Артура Эддингтона, который вывел этот предел, при котором давление излучения уравновешивает силу гравитации. Материал на поверхности сверхмассивной звезды находится почти в состоянии нулевой эффективной гравитации и легко уносится мощным звездным ветром.
В последующей работе с Фолькером Броммом и Рольфом Кудрицки я показал, что температура поверхности сверхмассивных звезд составляет около ста тысяч градусов и не зависит от их массы. Это подразумевает, что их светимость примерно пропорциональна площади поверхности. Чтобы уравновесить гравитацию, светимость также пропорциональна массе звезды. Через десять лет после нашей статьи с Фредом я опубликовал новую работу с Фолькером, который тогда был моим постдоком. В ней мы предложили прямой путь к созданию семян черных дыр через коллапс первичных газовых облаков, состоящих из атомов водорода. Такие облака могли не фрагментироваться в обычные звезды, так как они еще не были обогащены тяжелыми элементами, а молекулярный водород в них мог разрушаться под воздействием фонового ультрафиолетового излучения. Сейчас эта идея стала популярной в астрофизической литературе, а процесс получил название "Прямой коллапс в черные дыры" (Direct Collapse Black Holes, DCBH).
Без вращения сверхмассивные звезды нестабильны к гравитационному коллапсу из-за нестабильностей, вызванных поправками Общей теории относительности к их энергии. Добавление вращения стабилизирует звезды и может привести к формированию уплощенного диска как промежуточного этапа, прежде чем звезда превратится в черную дыру.
Обычные массивные звезды с массой менее ста солнечных также могут служить семенами квазаров. В галактических ядрах, которые уже были обогащены тяжелыми элементами, могло существовать множество семян черных дыр звездной массы. Это классический сценарий конкурентного роста. Одно удачное семя, расположенное близко к центру галактики, где плотность газа максимальна, будет расти экспоненциально, опережая другие и развивая самое большое горизонтом событий. Звезда с "самым большим ртом" поглощает больше всего и быстрее всего увеличивает свои размеры. Однако из-за небольших размеров начального семени этот сценарий требует больше времени по сравнению с процессом прямого коллапса, который сразу начинается с формирования сверхмассивного семени. Поскольку времени при красном смещении 10 мало, сверхмассивные звезды, возможно, необходимы для объяснения раннего формирования квазаров во Вселенной.
Недавние данные от телескопа Джеймса Уэбба по галактике вокруг квазара J1120+0641 при красном смещении 7.08 (соответствует 750 миллионам лет после Большого взрыва) показали, что масса его черной дыры составляет 54% от массы звезд в галактике. Наличие таких "сверхмассивных" черных дыр предполагает, что их происхождение связано с массивным семенем, где гигантское газовое облако коллапсировало с минимальным фрагментированием. Этот процесс на ранней стадии мог включать транзитную фазу сверхмассивной звезды. На данный момент масса этой черной дыры превышает массу Солнца в 1,4 миллиарда раз.
Существование "сверхмассивных младенцев" во Вселенной интригует. Однако их последующий рост был менее значительным по сравнению с образованием звезд вокруг них. Возможно, это связано с разницей между временем экспоненциального роста черных дыр и возрастом Вселенной. Когда Вселенная была молода, черные дыры излучали большую часть времени, подавляя формирование звезд вокруг себя. Позже, в периоды, когда центральная черная дыра "спала", звездообразование процветало.
Недавние исследования, выполненные мной и моим постдоком Фабио Пакуччи, показали, что это объясняет стабильное увеличение массы звезд по отношению к центральным черным дырам со временем. Сегодня масса сверхмассивных черных дыр составляет примерно одну десятую процента от массы звездного сфероида, окружающего их.
Еще одно возможное объяснение уникальных характеристик ранних галактик заключается в том, что они начинали без тяжелых элементов, что позволяло формироваться сверхмассивным звездам. Недавние исследования, выполненные телескопом Уэбба, выявили галактики с химическим составом, который нельзя объяснить обычными звездными моделями. Возможно, эти необычные соотношения элементов являются следствием сверхмассивных звезд.
Еще одно удивительное открытие телескопа Уэбба связано с ранней популяцией компактных красных галактик. Эти галактики краснее, чем ожидалось, из-за их космологического красного смещения, что указывает на дополнительное затемнение пылью. Некоторые из них содержат массу звезд, сопоставимую с Млечным Путем, но их радиус в сто раз меньше, всего несколько сотен световых лет. Эти "маленькие красные точки" могут потенциально содержать зародыши сверхмассивных звезд, находящихся на пути к формированию семян квазаров. В таком случае мы можем наблюдать рождение квазаров в родильной палате ранней Вселенной.
Если вы хотите читать больше интересных историй, подпишитесь пожалуйста на наш телеграм канал: https://t.me/deep_cosmos