Телескоп JWST, возможно, обнаружил место образования тяжелых черных дыр

Фото из открытых источников

Астрофизики считают, что сверхмассивные черные дыры (СМЧД), которые мы наблюдаем в современной Вселенной, являются результатом длительного процесса. Этот процесс называется иерархической моделью слияния черных дыр. Она объясняет, как некоторые СМЧД могут достигать таких ошеломляющих масс. Некоторые из самых массивных, по-видимому, имеют массу в миллиарды солнечных масс.

Идея заключается в том, что эти сверхмассивные черные дыры изначально являются зародышами, а зародышами — черные дыры звездной массы. Они образуются в результате двух процессов. Первый — это когда массивные звезды массой от 8 до 50 солнечных масс достигают конца своей жизни, в течение которой происходит термоядерный синтез. Они либо взрываются как сверхновые, и их ядра коллапсируют, образуя черные дыры, либо коллапсируют непосредственно в черные дыры. Второй — это слияние двух нейтронных звезд.

Между черными дырами звездной массы и сверхмассивными черными дырами находятся черные дыры промежуточной массы (ЧДМ). Масса этих черных дыр колеблется от примерно 100 солнечных масс до 100 000 солнечных масс. Наблюдательные данные о существовании ЧДМ пока скудны, но они достаточно устойчивы.

В статье 2024 года основное внимание уделялось Омега Центавра, шаровому скоплению на окраине Млечного пути, как месту расположения чёрной дыры промежуточной массы (IMBH). Согласно этой работе, наличие группы быстро движущихся звёзд в центре Омега Центавра может быть объяснено только присутствием чёрной дыры промежуточной массы около 8200 солнечных масс.

Гравитационные волны от слияния черных дыр также являются свидетельством существования промежуточной черной дыры (IMBH). В статье 2020 года было представлено единственное прямое доказательство существования IMBH, когда волны показали, что две черные дыры массой 85 и 66 солнечных масс слились, образовав IMBH массой около 142 солнечных масс.

Но где зародились эти чёрные дыры, находящиеся под угрозой исчезновения? Некоторые из них, должно быть, образовались в ранней Вселенной и послужили зародышами для чёрных дыр, которые мы видим сегодня.

Исследование под названием «Обнаруженные телескопом JWST массивные звездные скопления как естественные места зарождения черных дыр промежуточной массы» может дать ответ. Оно опубликовано в журнале Astronomy and Astrophysics, а ведущим автором является Виола Бокки из Римского университета Сапиенца.

«Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) обнаружил популяцию плотных звездных систем на высоких красных смещениях, включая дугу «Космические самоцветы» (z ∼ 10,2) и «Свежевыблеск» (z ∼ 8,3). Имея массы в диапазоне 10⁵ M⊙ –10⁷ M⊙ и радиусы полумассы в диапазоне ∼0,4–15 пк, эти системы идеально подходят для образования черных дыр промежуточной массы (ЧДМ) посредством моделей, основанных на столкновениях», — пишут авторы.

Дуга Космических Самоцветов — это гравитационно линзированная галактика, и телескоп JWST наблюдал её свет, когда Вселенной было всего около 460 миллионов лет. JWST обнаружил там пять плотных звёздных скоплений.

Космические жемчужины были впервые обнаружены телескопом Хаббл в ходе исследования скоплений, образованных реионизационным линзированием (RELICS), и были идентифицированы как мощный источник излучения в эпоху реионизации. В 2024 году телескоп JWST провел повторное исследование и обнаружил пять молодых массивных скоплений (YMC), что стало первым открытием таких древних скоплений.

«Светлячок» — ещё одна ранняя галактика, подвергшаяся гравитационному линзированию, сфотографированная всего через 600 миллионов лет после Большого взрыва. Телескоп JWST обнаружил в «Светлячке» 10 молодых молекулярных галактик.

Данное исследование показывает, что все эти молодые мишени не только являлись источниками ионизирующего излучения, но и, возможно, были местами зарождения промежуточных черных дыр.

Из-за высокой плотности этих молодых звёздных скоплений моделирование методом n-частиц оказалось невозможным. Вместо этого исследователи использовали модель, основанную на столкновениях неуправляемых частиц и потере массы звёздными ветрами, чтобы оценить результирующие массы чёрных дыр промежуточной массы. Затем они подтвердили эти результаты, сравнив их с прямым моделированием методом n-частиц компактных звёздных скоплений.

«Обладая массами в диапазоне 10⁵ M⊙ –10⁷ M⊙ и радиусами полумассы в диапазоне ∼0,4–15 пк, эти системы идеально подходят для образования черных дыр промежуточной массы (ЧДМ) посредством моделей, основанных на столкновениях», — пишут авторы. «Наши оценки дают типичные массы ЧДМ в диапазоне от ∼10² M⊙ до ∼4 × 10³ M⊙, что подразумевает типичную эффективность образования на уровне нескольких процентов».

В скоплениях «Космических самоцветов» образовалась самая тяжёлая чёрная дыра промежуточной массы (IMBH) с массами от 1600 до 2700 M⊙. «Чрезвычайная компактность скоплений «Космических самоцветов» (Rh ∼ 1 пк) способствует образованию зародышей чёрных дыр с большими массами 1600–2700 M⊙», — пишут авторы. Rh ∼ 1 пк — это радиус сферы, содержащей половину общей массы скопления, и он измеряет степень компактности скопления.

«Низкая металличность (Z ≲ 0,02 Z⊙) является критическим фактором для сохранения массы зародыша, несмотря на звездные ветры», — пишут авторы.

Эти молодые скопления также имеют низкую металличность, потому что в них не жило и не умирало достаточно звёзд, чтобы достичь более высокой металличности. Низкая металличность сыграла решающую роль в формировании чёрных дыр промежуточной массы. Низкая металличность ограничивает потерю массы из-за звёздных ветров, что позволяет объектам продолжать расти.

Результаты, полученные в скоплении Firefly Sparkle, отличаются. «В отличие от Cosmic Gems, эти скопления демонстрируют значительно большие радиусы (Rh ∼ 4 − 6 пк) при обычно меньших суммарных массах (10 5 − 10 6  M⊙)», — пишут авторы. Это приводит к образованию менее массивных ядер, что ограничивает потенциал процесса неуправляемых столкновений для образования промежуточных черных дыр. Массы черных дыр в Firefly Sparkle варьируются от 1,8 × 10 2  − 8,1 × 10 2  M⊙. Это примерно от 180 до 810 M⊙, что представляет собой нижнюю границу масс промежуточных черных дыр.

В целом, нижний диапазон масс ИМБЧ в этой работе (~100 солнечных масс) сопоставим с массами черных дыр, образованных массивными звездами третьего поколения, гипотетическими первыми звездами Вселенной, которые, вероятно, были чрезвычайно массивными. Но, как пишут авторы, «верхняя граница простирается значительно выше, позволяя самым массивным скоплениям производить объекты, прочно находящиеся в режиме «тяжелых зародышей». «Образование таких тяжелых зародышей крайне выгодно для формирования сверхмассивных черных дыр на больших красных смещениях».

Эти результаты не являются наблюдательными в том смысле, что телескоп JWST не обнаружил промежуточных черных дыр (IMBH). Но они показывают правдоподобную среду, в которой могли бы образоваться промежуточные черные дыры и потенциально привести к образованию сверхмассивных черных дыр (SMBH), которые мы наблюдаем в центрах галактик, подобных нашей.

Эти результаты также могут объяснить явление «маленьких красных точек» телескопа JWST. Их спектры часто интерпретируются как результат работы сверхмассивных черных дыр. «Наши результаты предполагают, что плотные массивные звездные скопления могли служить возможными массивными зародышами, из которых могли вырасти сверхмассивные черные дыры в этих «маленьких красных точках», — пишут исследователи.

Исследователи указывают на некоторые оговорки, основанные на признанных недостатках их работы. Многие свойства этих скоплений неизвестны, включая их вращение и внутреннюю структуру, что может изменить результаты и снизить массы промежуточных черных дыр.

Начальная функция масс также неизвестна, но она может быть преимущественно направлена на массивные чёрные дыры. «Эта возможность, наряду с возможной первичной массовой сегрегацией, способствовала бы образованию массивных чёрных дыр промежуточной массы, хотя мы не исследовали её здесь подробно», — поясняют авторы.

Исследователи, несомненно, углубятся в изучение этих молодых массивных скоплений и попытаются заполнить некоторые оставшиеся пробелы. Но данное исследование показывает, что они могут быть источником тяжелых зародышевых промежуточных черных дыр (IMBH), которые в конечном итоге образуют сверхмассивные черные дыры (SMBH).

«Наши результаты показывают, что эти плотные, бедные металлами скопления являются перспективными фабриками для образования тяжелых зародышей, способных вырасти в сверхмассивные черные дыры, наблюдаемые в ранней Вселенной», — заключают авторы.