Одним из самых впечатляющих открытий современной астрономии стало обнаружение сверхмассивных черных дыр (СМЧД), вес которых в миллиарды, а возможно и в триллионы раз превышает вес нашего Солнца, в галактиках, сформировавшихся менее чем через 750 миллионов лет после Большого взрыва. Они, по-видимому, росли невероятно быстро, что ставит под сомнение текущее понимание того, как формируются и развиваются черные дыры.
Традиционный путь предполагает коллапс звезды, в результате которого массивное небесное тело оставляет после сверхплотную собирающую вещество «воронку», вес которых обычно соизмерим с массой Солнца или превышает ее на один-два порядка. Но для того, чтобы эти звездные остатки в ранней Вселенной превратились в гигантов с массой в миллиард солнечных масс и более, потребовалось бы невероятно долгое время и гигантская скорость поглощения окружающего вещества.
Группа ученых, возможно, нашла способ обнаруживать сверхмассивные черные дыры в процессе их формирования, отслеживая особый тип излучения, которое они генерируют во время своего бурного рождения. Оно предполагает сценарий «прямого коллапса» — гипотетический механизм, при котором массивные облака первичного газа коллапсируют непосредственно в сверхмассивные черные дыры, не образуя в промежутке звезды. Этот процесс может привести к образованию черных дыр с начальной массой от 105M⊙ до 107M⊙, что является гораздо более разумной отправной точкой для быстрого роста в сверхмассивные черные дыры.
Новое исследование Ян Ло и Айзека Шлосмана, опубликованное на сервере препринтов arXiv, предполагает, что эти предшественники самых массивных черных дыр во Вселенной могут быть обнаружены в момент формирования, что потенциально решит одну из самых больших загадок астрономии.
Ключевым требованием для процесса прямого коллапса является поддержание температуры охлаждения атомарного водорода на уровне около 10 000 Кельвинов, что предотвращает фрагментацию, которая могла бы привести к образованию звезд. В таких условиях массивные газовые облака могут непосредственно коллапсировать в плотные ядра, которые в конечном итоге становятся зародышами черных дыр.
Исследование направлено на обнаружение определенного типа света, называемого излучением Лайман-альфа, которое возникает, когда атомы водорода поглощают и переизлучают ультрафиолет. Во время прямого коллапса это излучение является одним из основных признаков процессов охлаждения, уносящих энергию по мере сжатия газового облака.
Предыдущие модели предполагали сферический коллапс, при котором фотоны улавливались бы и уничтожались в результате квантовых процессов. Однако исследователи предлагают более реалистичный сценарий, в котором вращающийся газ образует аккреционный диск вокруг центральной массы. Это создает биконическую структуру потока, которая, по сути, фокусируется вдоль оси вращения, где и может генерироваться излучение.
Используя сложные компьютерные модели и расчеты переноса излучения, ученые обнаружили, что значительная часть фотонов Лайман-альфа может покидать формирующуюся черную дыру через эти каналы. Для объекта на этапе превращения в сверхмассивную черную дыру с красным смещением s=10 (указывает на возраст Вселенной на 500 миллионов лет меньше) более 95% излучения Лайман-альфа может утекать из формирующейся СМЧД и потенциально может быть обнаруженным. Исследование показывает, что прибор NIRSpec космического телескопа «Джеймс Уэбб» может уловить эти сигналы в режиме многообъектной спектроскопии.
Важно отметить, что излучение Лайман-альфа от объектов с прямым коллапсом должно иметь характеристики, которые отличают их от других космических источников. Исследователи обнаружили, что эти «предсверхмассивные» черные дыры должны давать сильно асимметричные спектральные линии с протяженными красными «хвостами» — характеристики, которые обычно не наблюдаются в обычных галактиках или квазарах.
Возможность выявления этих объектов откроет новое окно в мир самых драматичных событий ранней Вселенной. В отличие от сформировавшихся сверхмассивных черных дыр, окруженных яркими аккреционными дисками, эти зародыши должны быть свободны от металлов, представляя собой поистине первозданное вещество, состоящее из водорода и некоторого количества гелия.
Одним из важнейших аспектов этого исследования является время. Процесс прямого коллапса и связанное с ним излучение Лайман-альфа, вероятно, происходят в течение относительно короткого периода до того, как центральный объект становится полноценной черной дырой. Это узкое временное окно подчеркивает важность систематических наблюдений для обнаружения таких объектов в процессе их формирования.
Если результаты моделирования подтвердятся наблюдениями, это может в корне изменить наше представление о том, как образовались СМЧД.
