Ученые измерили среду, в которой образовались первые сверхмассивные черные дыры

Фото из открытых источников

Когда космический телескоп Джеймса Уэбба направил свои мощные инструменты в раннюю Вселенную, ученые были удивлены тем, что он обнаружил. При высоких значениях красного смещения (z), соответствующих периоду менее миллиарда лет после Большого взрыва, астрономы наблюдали обилие галактик, в которых, по-видимому, находились «зародыши» сверхмассивных черных дыр (СМЧД). Существование таких массивных черных дыр на столь раннем этапе Вселенной поставило под сомнение существующие модели образования черных дыр, согласно которым звезды коллапсируют в конце своей жизни, образуя черные дыры, которые постепенно объединяются, создавая СМЧД.

Это заставило астрономов рассмотреть другой путь развития галактик, при котором массивные облака холодного газа сгущались в центре ранних галактик и коллапсировали, образуя черные дыры — сценарий, известный как сценарий прямой коллапса черной дыры (DCBH). Однако остается много вопросов без ответа относительно условий, в которых формировались эти DCBH. Для исследования этого вопроса международная группа астрономов рассматривает, как слияния темной материи и области космоса, заполненные огромным количеством газа, пыли и звезд (космические области повышенной плотности), являются благоприятными средами для образования «зародышей» сверхмассивных черных дыр.

Исследование возглавил Алессандро Тринка из Института астрономии и Королевской обсерватории Эдинбургского университета. К нему присоединились исследователи из Центра астрофизики озера Комо, Астрономической обсерватории INAF в Риме, Астрофизической обсерватории INAF в Болонье, Австрийского института науки и технологий (ISTA), Института астрофизики, Высшей школы Сапиенца и ряда университетов. Статья с описанием их работы опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (MNRAS).

В основе работы команды лежит концепция деревьев слияний темной материи (ТМ). В рамках космологической модели ΛCDM (Lambda Cold Dark Matter) предполагается, что гало ТМ образовались в результате слияния меньших скоплений. Это похоже на более ранние теории образования сверхмассивных черных дыр (СМЧД), которые предполагали, что они образовались в результате слияния черных дыр меньшей и промежуточной массы. Команда объединила высокоразрешенные N -частичные симуляции этих деревьев с полуаналитической моделью образования черных дыр и коэволюции галактик.

История слияния гало была смоделирована с использованием программного обеспечения для космологического масштабирования, основанного на коде GIZMO, учитывающем частицы. Затем были проведены симуляции барионной (или «видимой» материи) компоненты во всех гало-прародителях с использованием инструмента Cosmic Archaeology Tool (CAT), полуаналитической модели, используемой для интерпретации свойств наблюдаемых источников на больших красных смещениях и проверки различных сценариев эволюции черных дыр на основе наблюдений. 

«Это позволило нам проследить численность, пространственное распределение и условия окружающей среды гало, способных формировать DCBH, на протяжении космического времени, исследуя, как эти тенденции зависят от конкретных физических требований для образования тяжелых зародышей... Опираясь на это, мы сосредоточились на прогнозировании наблюдательных характеристик популяции потомков DCBH, которые, как ожидается, обитают вблизи квазаров с высоким красным смещением на z ~7 [12,9 миллиарда лет назад]», -- пояснили авторы исследования.

Результаты показали, что зародыши массивных черных дыр могли образоваться в результате прямого коллапса еще 13,64 миллиарда лет назад (менее чем через 500 миллионов лет после Большого взрыва). Этот процесс продолжался бы примерно до 13,5–13,4 миллиарда лет назад, после чего обогащение металлами межгалактической среды (МГС) — вызванное взрывами сверхновых самых ранних звезд третьего поколения — предотвратило бы дальнейшие эпизоды прямого коллапса. Эти результаты подтверждают сценарий с массивными черными дырами и открывают возможности для будущих исследований с помощью телескопа JWST. Как заключила команда:

Наши результаты предоставляют теоретическую основу для проверки условий, благоприятствующих формированию массивных зародышей черных дыр, и для оценки роли прямого коллапса как пути к популяции сверхмассивных черных дыр, наблюдаемых на очень больших красных смещениях. Возможное обнаружение большой популяции кандидатов в активные галактические ядра, являющиеся компаньонами квазаров, в будущих обзорах стало бы убедительным свидетельством того, что раннее формирование массивных черных дыр преимущественно происходит в сильно кластеризованных, сверхплотных средах, а предсказанное здесь количество обнаруживаемых систем послужит конкретным эталоном для предстоящих наблюдательных кампаний.