Сверхмассивные черные дыры питают яркие ядра молодых галактик ранней Вселенной — квазары. Но как эти черные дыры приобретают статус сверхмассивных менее чем за миллиард лет?
Сверхмассивные центры
квазары — уникальные объекты. Это самые яркие из известных нам объектов, а некоторые говорят, что они также и самые интересные. Они настолько яркие, что мы можем наблюдать за ними с невероятно больших расстояний — самый далекий обнаруженный квазар светит примерно в 13 миллиардах световых лет от нас. Такое огромное расстояние означает, что мы видим квазары такими, какими они были, когда Вселенной было меньше миллиарда лет, на пороге эпохи реионизации , когда первые звезды и галактики наполнили Вселенную фотонами и закончились Темные века .
Эти очень яркие объекты считаются ядрами молодых галактик , движимых аккрецией материи на центральную сверхмассивную черную дыру . Наличие сверхмассивных черных дыр на столь раннем этапе истории Вселенной бросает вызов теоретикам. Как именно черная дыра накопила столько материи всего за несколько сотен миллионов лет?
Чувствительная спектроскопия
Размер сверхмассивной черной дыры зависит от массы мельчайших «зародышей» черных дыр, из которых она образовалась, и скорости, с которой газ аккрецируется из окружающей среды. Чтобы определить массу и скорость аккреции молодых сверхмассивных черных дыр, группа под руководством Джиньи Янг (Обсерватория Стюарда, Аризонский университет) проанализировала инфракрасные спектры 37 квазаров с красным смещением между 6,3 и 7,64 — примерно через 700–900 миллионов лет после Большого взрыва . .
Ян и ее коллеги подсчитали, что массы черных дыр в их выборке находятся в диапазоне от 300 миллионов до 3,6 миллиардов солнечных масс, и обнаружили, что они аккрецируют со скоростью от 0,26 до 2,3-кратного предела Эддингтона — теоретической точки, в которой излучение, генерируемое аккрецией. выталкивается наружу так сильно, что уравновешивает гравитационное притяжение внутрь.
Измерение роста
По оценкам авторов , черные дыры в их выборке должны были возникнуть из зародышей черных дыр с массой от 1000 до 10000 масс Солнца, но неясно, какой процесс мог породить эти зародыши. Коллапс звезд первого поколения — одна из возможностей, но эти массивные звезды, вероятно, образовали только черные дыры с массой в несколько сотен масс Солнца. Другой вариант состоит в том, что газовые облака схлопываются прямо в черные дыры без предварительного образования звезд, но этот процесс считается крайне редким.
Даже если семена малы, быстрая аккреция может привести к тому, что черные дыры ранней Вселенной достигнут наблюдаемых нами масс. Однако, чтобы достичь массы в миллиарды солнечных, черным дырам в ранней Вселенной потребовался бы почти миллиард лет непрерывной аккреции со скоростью, значительно превышающей предел Эддингтона — от нескольких до нескольких тысяч раз больше, в зависимости от исходной массы — и наиболее квазаров в этом исследовании аккрецируют слишком медленно. Каким образом сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной достигают своих внушительных размеров, пока неизвестно — возможно, квазары — не только самые яркие и интересные объекты во Вселенной, но и самые загадочные.