Астрофизики расшифровали историю сверхмассивных черных дыр в ранней вселенной

Астрофизики из  Western University нашли доказательства прямого образования черных дыр, которые не должны появляться из остатков звезд. Образование черных дыр в ранней вселенной, сформированной таким образом, может дать ученым объяснение присутствия чрезвычайно массивных черных дыр на очень ранней стадии в истории нашей вселенной.

Шантану Басу и Арпан Дас из Департамента физики и астрономии Вестерна разработали объяснение наблюдаемого распределения сверхмассивных масс и яркостей черных дыр, для которых ранее не было никакого научного объяснения. Результаты были опубликованы в Astrophysical Journal Letters.

Модель основана на очень простом предположении: сверхмассивные черные дыры образуются очень, очень быстро в течение очень, очень коротких периодов времени, а затем внезапно все прекращается. Это объяснение контрастирует с нынешним пониманием того, как образуются черные дыры звездной массы.

«Это косвенное наблюдение, свидетельствующее о том, что черные дыры происходят от прямых коллапсов, а не от звездных остатков», — говорит Басу, профессор астрономии в Вестерне, который во всем мире признан экспертом по ранним стадиям звездообразования и развития протопланетного диска.

Ученые разработали новую математическую модель, рассчитав функцию массы сверхмассивных черных дыр, которые образуются в течение ограниченного периода времени и подвергаются быстрому экспоненциальному росту массы. Рост массы может регулироваться пределом Эддингтона, который задается балансом радиационных и гравитационных сил, или может даже превышать его.

«У сверхмассивных черных дыр был короткий период времени, когда они могли быстро расти, а затем в какой-то момент из-за всего излучения во вселенной, создаваемой другими черными дырами и звездами, их производство остановилось», — объясняет Басу. «Это сценарий прямого коллапса».

В течение последнего десятилетия многие сверхмассивные черные дыры, которые в миллиард раз массивнее Солнца, были обнаружены при больших «красных смещениях», что означает, что они уже были в нашей вселенной через 800 миллионов лет после Большого взрыва.

Наличие этих молодых и очень массивных черных дыр ставит под сомнение наше понимание формирования и роста черных дыр. Сценарий прямого коллапса учитывает начальные массы, которые намного больше, чем подразумевается стандартным сценарием звездного остатка, и могут иметь большое значение для объяснения наблюдений. Этот новый результат свидетельствует о том, что такие черные дыры с прямым коллапсом действительно были созданы в ранней Вселенной.

Басу считает, что новые результаты могут быть использованы с будущими наблюдениями, чтобы сделать вывод об истории формирования чрезвычайно массивных черных дыр, которые существовали в очень ранние времена в нашей вселенной.

Shantanu Basu et al. The Mass Function of Supermassive Black Holes in the Direct-collapse Scenario, The Astrophysical Journal (2019). DOI: 10.3847/2041-8213/ab2646