Исследователям удалось разобраться в одной из главных загадок современной астрофизики — происхождении необычно крупных черных дыр в самых первых галактиках Вселенной.
Так называемые галактики со сверхмассивными черными дырами (OBG) обнаружил телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST). Они появились гораздо раньше, чем ожидалось, чем ставили под сомнение существующие теории эволюции черных дыр и галактик.
«OBG — это новый рубеж в астрономии черных дыр на высоких красных смещениях. Они позволяют заглянуть в формирование галактик, когда прошло всего 450 миллионов лет после Большого взрыва. Их черные дыры примерно в 100 раз массивнее по отношению к своим родным галактикам, чем дыры в сегодняшней Вселенной. До сих пор у них не было стандартного астрофизического объяснения», — рассказал старший преподаватель космологии Дэниэл Уэйлен из Портсмутского университета.
Ученые провели одно из самых детальных на сегодня космологических моделирований, чтобы проследить за ростом черной дыры, образовавшейся, когда Вселенная была совсем «младенцем». Результаты будут опубликованы в The Astrophysical Journal Letters, а пока размещены на arXiv.
Возникнув при коллапсе первичной звезды массой в 70 000 солнечных, эта черная дыра за несколько сотен миллионов лет выросла до 6 миллионов солнечных масс. Тем временем ее галактика-хозяин нарастила свою звездную массу до сотен миллионов солнечных и обрела свойства, схожие с наблюдаемыми с помощью JWST.
Авторы показали, что такие объекты могут естественным образом возникать из так называемых «черных дыр прямого коллапса» — раннего типа массивных черных дыр, которые, как считается, образуются, когда гигантские облака первичного газа порождают сверхмассивные звезды, коллапсирующие в черную дыру сразу, без взрыва.
Моделирование воспроизвело основные черты недавно открытых галактик: необычно высокое отношение массы черной дыры к звездной массе, а также спектральные особенности, наблюдаемые в реальных данных.
Объяснить эти экстремальные системы могут два процесса:
- Раннее подавление звездообразования — растущая черная дыра поначалу замедляла рождение новых звезд, быстро набирая массу внутри своей галактики.
- Мощные взрывы сверхновых — последующие поколения первых звезд во Вселенной взрывались как сверхновые, выбрасывая тяжелые элементы и меняя ход эволюции галактики.
Вместе эти эффекты позволяли черным дырам становиться непропорционально большими по сравнению со своими галактиками, что в итоге давало системы, похожие на наблюдаемые в ранней Вселенной.
«Мы показали, что OBG представляют собой естественную фазу эволюции галактик с черными дырами прямого коллапса. Их обнаружение “Уэббом” в столь ранние эпохи — прямое доказательство существования таких дыр. Чтобы проверить моделирование, мы сравнили спектры смоделированных галактик с реальными OBG-объектами GHZ9 и UHZ1, наблюдаемыми “Уэббом”, и обнаружили, что наши модели удивительно точно воспроизводят их свойства и спектры», — пояснил астрофизик Мухаммад Латиф из Университета Объединенных Арабских Эмиратов, ведущий автор работы.
Это исследование — первое, в котором смоделирована долговременная совместная эволюция черной дыры прямого коллапса и ее галактики-хозяина с высокоточной физикой, и при этом учтено звездообразование в самых ранних мелкомасштабных структурах Вселенной. Результаты показывают, что эти загадочные галактики, возможно, вовсе не аномалия, а закономерный итог формирования черных дыр в молодом космосе.
«Джеймс Уэбб» обнаружил старейшую из когда-либо наблюдавшихся черных дыр
Найден объект, который может оказаться самой ранней галактикой во Вселенной
Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX