В отличие от черных дыр звездного размера, которые образуются в результате коллапса звезд, так называемые сверхмассивные черные дыры, находящиеся в центрах галактик, очень велики — настолько огромны, что они не могут быть просто конечными стадиями жизни даже самых больших звезд. Так что астрономы постоянно ждут новых наблюдений, которые помогут разгадать эту загадку, и разрабатывают новые теории об этих загадочных объектах.
Сверхмассивные черные дыры (СМЧД) имеют массу от сотен тысяч до миллионов масс Солнца. Sgr A*, сверхмассивная черная дыра в центре нашего Млечного Пути, имеет массу почти 4,5 миллиона солнечных. Образование таких черных дыр в настоящее время признано прямым следствием образования «зародышевой» черной дыры с массой около 100 масс Солнца. Такие черные дыры образуются в этом сценарии после гравитационного коллапса очень массивной звезды. Со временем эмбрион «собирает и аккрецирует большее количество материи из своего окружения и даже сливается с другими близлежащими черными эмбриональными дырами». Результатом являются большие черные дыры порядка миллиона солнечных масс, которые мы наблюдаем сегодня.
Но таким образом уже невозможно объяснить существование очень массивных черных дыр, находящихся в центрах молодых, очень далеких квазаров ранних эпох Вселенной. В мартовском номере журнала Nature Astronomy Джон Риган из Института вычислительной космологии в Дареме описывает свою модель очень раннего космоса, в которой могли возникнуть условия, приведшие к образованию так называемых черных дыр прямого коллапса (DCBH). Это объекты, которые формируются при определенных условиях, которые существовали только в ранней Вселенной.
Квазары на самом деле представляют собой аккреционные диски вокруг сверхмассивных черных дыр. В первые годы жизни галактики такие диски могут стать очень большими и затмить весь свет своих родительских галактик. Черная дыра тогда очень массивна - порядка миллионов или миллиардов раз больше массы Солнца. Но в очень ранней Вселенной у таких объектов просто не было времени, чтобы так сильно вырасти за счет аккреции. Кроме того, любая звезда первого поколения, достаточно большая, чтобы сформировать ядро черной дыры, будет излучать очень сильное излучение, достаточное для того, чтобы выдуть большое количество газа и пыли из ее ближайшего окружения, эффективно подавляя дальнейшую аккрецию и дальнейший рост черной дыры.
Механизм, называемый DCBH, может отвечать за питание черных дыр в далеких квазарах. Им не требуется топливо или время для эффективного роста. Они формируются как очень большие массы массы в начале своей жизни, когда газ внутри галактики коллапсирует прямо в черную дыру, без каких-либо промежуточных стадий. Когда такой газ сильно нагревается, но не может снова остыть, а затем сильно сжимается гало темной материи, окружающим галактику, создаются условия для образования так называемого «Непосредственно коллапсирующая» сверхмассивная черная дыра. Идея появилась еще в 2003 году, но гипотетических доказательств существования таких черных дыр не было найдено до 2016 года.
Недавно команда Ригана разработала компьютерное моделирование, чтобы помочь определить, могут ли взаимодействия между соседними протогалактиками инициировать образование черных дыр DCBH. Когда газ в галактике нагревается, он также остывает в одном из нескольких известных процессов. Вероятно, наиболее распространенными из этих процессов являются звездообразование и излучение значительных энергий «металлами» (элементами тяжелее гелия и образующимися внутри массивных звезд). Между тем, объекты DCBH могут, согласно авторов образуются при коллапсе галактического газа без наличия какого-либо из этих процессов.
Выполнив несколько симуляций, группа Ригана обнаружила благоприятные условия, при которых нагрев газа в галактиках в сочетании с периодами очень быстрого и массивного звездообразования в одной из этих ближайших протогалактик мог привести к образованию черных дыр DCBH.
Это было бы очень вероятно для пар галактик, находящихся на расстоянии от 200 до 300 парсеков друг от друга. Когда протогалактики в симуляциях находились ближе друг к другу, быстрое образование новых звезд могло выбивать атомы из молекул газа или просто выбрасывать весь скопившийся вокруг них газ. Близкий «взрыв» звездообразования также мог бы в таком сценарии «загрязнить» близлежащие галактики металлами, отброшенными сверхновыми, и эти металлы могли бы затем охладить газ и позволить ему фрагментироваться, что привело бы к образованию новых звезд в галактиках — не массивные черные дыры. Но если бы галактики оказались слишком далеко друг от друга, то, конечно, они не смогли бы эффективно и достаточно быстро влиять на своих далеких соседей, чтобы влиять на собственные процессы звездообразования.
Кроме того, временная шкала звездообразования должна быть точно синхронизирована с временной шкалой звездообразования в ближайшей протогалактике. Например, если такая «звездная вспышка» произойдет не вовремя, слишком поздно, возможно, соседняя галактика уже начала формировать свои звезды, и тогда условий для образования черной дыры DCBH не существует.
Результаты всех проведенных симуляций призваны показать астрономам, какие на самом деле объекты стоит исследовать более подробно с помощью будущего космического телескопа Уэбба, запуск которого в настоящее время запланирован на 2018 год. Риган и его коллеги считают, что именно наблюдения за не слишком удаленными парами протогалактических детенышей могут предоставить им данные, которые могут подтвердить справедливость сценария DCBH.