Новая модель формирования чёрных дыр может произвести революцию в космологии

Фото из открытых источников

Когда космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST) начал работу, он впервые получил изображения периода, известного как «Космический рассвет». Эта космологическая эпоха, наступившая через 50 миллионов – 1 миллиард лет после Большого взрыва, стала периодом образования первых звёзд и галактик во Вселенной. Результаты наблюдений Уэбба, относящиеся к этому периоду, удивили и заинтриговали учёных. Помимо обнаружения многочисленных «маленьких красных точек» (LRD), особенно ярких и красных галактик, телескоп также обнаружил «зародыши» сверхмассивных чёрных дыр (SMBH).

Эти результаты противоречили современным моделям космологии, поскольку сверхмассивные чёрные дыры (СЧД) и чёрные дыры оказались слишком большими, чтобы образоваться менее чем через миллиард лет после Большого взрыва. Это побудило учёных разработать новые интересные теории образования звёзд и чёрных дыр в период космической зари. В новом теоретическом исследовании астрофизик Джонатан Тан из Университета Вирджинии предлагает комплексную модель образования сверхмассивных чёрных дыр (СМЧД), предполагающую, что они образовались как остатки самых ранних звёзд во Вселенной.

Тан — профессор-исследователь кафедры астрономии Колледжа и Высшей школы искусств и наук, а также профессор кафедры космоса, Земли и окружающей среды Технологического университета Чалмерса в Гётеборге, Швеция. Статья, описывающая его теорию «Pop III.1», недавно была опубликована в журнале Astrophysical Journal Letters. Предложенная им теория не только объясняет образование затравок сверхмассивных чёрных дыр, но и может кардинально изменить наше понимание космологического периода, известного как «Эпоха реионизации».

Согласно наиболее распространённой космологической теории, известной как модель лямбда-холодной тёмной материи (LCDM), Вселенная была окутана тьмой вскоре после Большого взрыва. Этот период известен как «космические тёмные века», когда Вселенная была пронизана нейтральным водородом. Единственными источниками света были фотоны «реликтового излучения», оставшегося после Большого взрыва – реликтового излучения (РКФ), – и фотоны, испускаемые при реионизации нейтрального водорода. Этот последний источник фотонов был создан ультрафиолетовым излучением, испускаемым первыми звёздами во Вселенной, популяцией III, которые были особенно массивными, яркими и короткоживущими.

Вот почему астрономы также называют эту космологическую эпоху, наступившую примерно через 380 000–1 миллиард лет после Большого взрыва, «Эпохой реионизации». Кроме того, учёным уже несколько десятилетий известно, что сверхмассивные чёрные дыры находятся в центрах массивных галактик и играют важную роль в их эволюции. Долгое время предполагалось, что сверхмассивные чёрные дыры существовали в ранней Вселенной и были частью первых галактик, что было подтверждено наблюдениями Уэбба. Однако зародыши чёрных дыр были крупнее, чем предполагала преобладающая космологическая модель. Это открытие вдохнуло новую жизнь в дискуссию о том, как образовались эти гравитационные гиганты.

С одной стороны, некоторые учёные утверждали, что сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД) образовались из более мелких чёрных дыр, или звёздных остатков звёзд населения III, претерпевших гравитационный коллапс в конце своей жизни. С другой стороны, некоторые астрономы выдвинули теорию, что сверхмассивные чёрные дыры образовались из гигантских пылевых облаков, которые сколлапсировали, не превратившись предварительно в звёзды, – так называемые чёрные дыры прямого коллапса (ЧДП). Предложенная Таном модель населения III.1 поддерживает школу прямого коллапса. Как он пояснил в пресс-релизе Университета Вирджинии, эта теория может иметь значение для нескольких аспектов космологии:

Наша модель предполагает, что сверхмассивные звёзды – прародители чёрных дыр – быстро ионизировали водородный газ во Вселенной, возвещая о своём рождении яркими вспышками, заполняющими всё пространство. Интересно, что эта дополнительная фаза ионизации, происходящая гораздо раньше той, которая происходит в обычных галактиках, может помочь разрешить некоторые недавние загадки и противоречия, возникшие в космологии, включая «напряжение Хаббла», «динамическую тёмную энергию» и предпочтение «отрицательной массы нейтрино», которые бросают вызов стандартной модели Вселенной. Это связь, которую мы не предвидели при разработке модели Pop III.1, но она может оказаться крайне важной.

Доказательства существования DCBH существуют уже давно, о чём свидетельствуют странные квазары, существовавшие уже 500 миллионов лет после Большого взрыва. Но благодаря Уэббу астрономы получили первые прямые свидетельства существования этих ранних чёрных дыр. Ричард Эллис, один из ведущих мировых специалистов по космологии и профессор астрофизики в Университетском колледже Лондона, заявил:

Профессор Тан разработал элегантную модель, которая могла бы объяснить двухэтапный процесс рождения и ионизации звёзд в ранней Вселенной. Возможно, самые первые звёзды образовались в результате короткой, яркой вспышки, а затем исчезли, — а значит, то, что мы сейчас видим в телескоп Джеймса Уэбба, может быть лишь второй волной. Вселенная, похоже, ещё таит в себе сюрпризы.