Обнаружена черная дыра, бросающая вызов законам физики

Фото из открытых источников

Удивительно прожорливая черная дыра, существовавшая на заре Вселенной, нарушает два важных правила: она не только превышает «предел скорости» роста черных дыр, но и генерирует экстремальное рентгеновское и радиоизлучение — два явления, которые, согласно прогнозам, не могут сосуществовать.

Этот объект — квазар, известный как ID830, — представляет собой чрезвычайно яркую и активную сверхмассивную черную дыру (СМЧД), которая испускает огромные струи излучения из своих полюсов. Она также излучает интенсивное рентгеновское излучение, генерируемое падающим веществом, которое вращается вокруг ее темной пасти со скоростью, близкой к скорости света.

ID830 — исключительно массивная галактика. Уже около 12 миллиардов лет назад её масса составляла 440 миллионов солнечных масс, когда возраст Вселенной был примерно 15% от её нынешнего значения. Это делает её более чем в 100 раз массивнее Стрельца A*, сверхмассивной чёрной дыры в центре нашей галактики Млечный Путь.

Как вообще возможно такое нарушение правил? В статье, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal, международная группа исследователей провела наблюдения за объектом ID830 в нескольких диапазонах длин волн, чтобы найти ответ.

Черные дыры — самые прожорливые пожиратели во Вселенной, но даже у монстров есть предел потребления. Притягивая газ и пыль, они накапливают это вещество в виде вращающегося аккреционного диска. Гравитация притягивает вещество из диска в черную дыру, но падающее вещество создает радиационное давление, которое выталкивает его наружу и препятствует дальнейшему падению вещества. В результате черные дыры сдерживаются саморегулирующимся процессом, называемым пределом Эддингтона.

Однако черные дыры могут временно обходить этот предел и испытывать резкие скачки роста на уровне, превышающем предел Эддингтона. Исследователи предлагают несколько механизмов для этого космического «прожорливости». Например, «вполне возможно, что черная дыра будет поглощать материю быстрее, чем предел Эддингтона, в течение короткого периода времени, прежде чем давление излучения достигнет уровня, ограничивающего скорость аккреции», — говорит Энтони Тейлор, астроном из Техасского университета в Остине, не участвовавший в исследовании.

В качестве альтернативы, черная дыра может поглощать материю из диска вокруг своего экватора, в то время как исходящее радиационное давление выталкивает вещество из ее полюсов. «В этой ситуации радиационное давление не будет напрямую противодействовать притоку материи, что позволит превысить предел Эддингтона», — добавил Тейлор. «Существует множество геометрических конфигураций, где это может сработать!»

Механика суперэддингтона может помочь согласовать модели роста сверхмассивных черных дыр с расширяющимся каталогом наблюдений ранней Вселенной. Благодаря своей исключительной чувствительности в инфракрасном диапазоне, космический телескоп Джеймса Уэбба показал, что сверхмассивные черные дыры росли удивительно быстро и удивительно рано, вопреки всем ожиданиям.

Итак, как же сверхмассивные черные дыры так быстро разрослись? Некоторые ученые предполагают, что звезды третьего поколения, первые и самые большие звезды в космической истории, коллапсировали, образовав «зародыши» черных дыр массой 1000 и более солнечных масс.

Но даже этим крупным семенам потребовалось бы питаться на пределе Эддингтона более 650 миллионов лет, чтобы достичь некоторых из своих наблюдаемых размеров. Этот подвиг может показаться невыполнимым по нескольким причинам, включая колоссальное количество газа, необходимое для поддержания такого длительного насыщения.

Исследователи рассчитали скорость роста ID830, измерив его яркость в ультрафиолетовом (УФ) и рентгеновском (РВ) диапазонах. Его рентгеновская яркость предполагает, что ID830 аккрецирует массу примерно в 13 раз превышающую предел Эддингтона, из-за внезапного притока газа, который мог произойти, когда ID830 разорвал и поглотил небесное тело, приблизившееся слишком близко.

«Для сверхмассивной черной дыры такой массы, как ID830, потребуется не обычная звезда (главной последовательности), а более массивная звезда-гигант или огромное газовое облако», — сообщила соавтор исследования Сакико Обучи, астроном-наблюдатель из Университета Васэда в Токио. Такие сверхэддингтоновские фазы могут быть невероятно короткими, поскольку «ожидается, что эта переходная фаза продлится примерно 300 лет», — добавила Обучи.

Объект ID830 также одновременно демонстрирует радио- и рентгеновское излучение. Сосуществование этих двух явлений не ожидается, особенно учитывая, что сверхэддингтоновская аккреция, как считается, подавляет такое излучение. «Это неожиданное сочетание указывает на физические механизмы, которые еще не полностью описаны современными моделями экстремальной аккреции и запуска струй», — говорится в заявлении исследователей.

Таким образом, в то время как ID830 испускает массивные радиоструи, его рентгеновское излучение, по-видимому, исходит от структуры, называемой короной, которая образуется в результате того, что интенсивные магнитные поля аккреционного диска создают тонкое, но турбулентное облако частиц с температурой в миллиарды градусов. Эти частицы вращаются вокруг черной дыры со скоростью, близкой к скорости света, в условиях, которые НАСА называет «одной из самых экстремальных физических сред во Вселенной».

В целом, нетипичное поведение ID830 указывает на то, что он находится в редкой переходной фазе чрезмерного потребления и выделения. Этот невероятный всплеск потребления активизировал как его струи, так и корону, заставляя ID830 ярко светиться на разных длинах волн, излучая избыточное излучение.

Кроме того, по словам исследователей, на основе анализа яркости в ультрафиолетовом диапазоне квазары, подобные ID830, могут быть неожиданно распространены. Модели предсказывают, что только около 10% квазаров имеют впечатляющие радиоджеты, но эти энергетические объекты могли быть значительно более многочисленны в ранней Вселенной, чем предполагалось ранее.

Что наиболее важно, ID830 также демонстрирует, как сверхмассивные черные дыры могут регулировать рост галактик в ранней Вселенной. Когда черная дыра поглощает материю на уровне сверхэддингтоновского предела, энергия от ее излучения может нагревать и рассеивать материю в межзвездной среде — газе между звездами — подавляя звездообразование. В результате древние сверхмассивные черные дыры, такие как ID830, могли стать массивными за счет своих галактик-хозяев.

«Если сверхэддингтоновские черные дыры встречаются чаще, чем мы думали, это, вероятно, означает, что в нашем понимании того, как формировались объекты в ранней Вселенной, все еще существуют большие пробелы. Это открытие дополняет растущее количество свидетельств, полученных с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, которые показывают, что звезды, галактики и черные дыры в древней Вселенной выглядят намного больше и более зрелыми, чем это предсказывает теория», - отметили ученые.