Астрономы не могут понять, почему некоторые черные дыры такие большие

Наблюдения за черными дырами в течении десяти лет показали, что гигантские монстры с массами по меньшей мере миллиарда солнц уже существовали, когда вселенной было менее миллиарда лет — слишком рано для них, чтобы сформироваться обычным способом.

На сегодняшний день астрономы обнаружили более 100 сверхмассивных черных дыр, существовавших до 950 миллионов лет с момента Большого взрыва.

Обычные гипотезы состоят в том, что эти черные дыры либо неожиданно стали такими, либо быстро росли. Но последние находки бросают вызов даже этим теориям и могут заставить астрономов переосмыслить, как растут эти черные дыры.

В современной вселенной черные дыры обычно формируются из массивных звезд, которые разрушаются под их собственной гравитацией в конце их жизни. Обычно они начинаются с массы меньше 100 солнечных масс и могут расти либо путем слияния с другой черной дырой, либо путем аккрецирования газа из окружающей среды.

Этот газ часто организуется в диск, который вращается вокруг черной дыры, с трением, нагревающим диск до высоких температур, которые создают блестящее свечение, видимое на миллиарды световых лет. Эти черные дыры, питающиеся газом, называются квазарами. Чем быстрее квазар поглощает газ, тем ярче его диск светится.

Но свечение от этого газа также ограничивает рост черной дыры: фотоны яркого диска отталкивают свежий материал. Это устанавливает физический предел того, насколько быстро черные дыры данной массы могут расти. Астрономы выражают, как быстро черная дыра «ест»  термином, называемым отношением Эддингтона, измеряя фактическую яркость черной дыры по отношению к яркости, которую она имела бы, если бы поглощала газ так быстро, как могла.

Привередливые едоки

Астрономы измерили отношения Эддингтона у около 20 сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной. Большинство, кажется, «едят» на пределе, в отличие от квазаров в современной вселенной, которые питаются примерно на одну десятую от этой скорости. Эти уровни поглощения по-видимому, бросают вызов сверхмассивным размерам черных дыр: черная дыра 100-солнечной массы, акридирующая на пределе, должна потратить около 800 миллионов лет, чтобы достичь миллиардов солнечных масс. Причем 800 миллионов лет не включает время, необходимое для образования первоначального «зародыша» черных дыр.

Физик Им Мин Шин из Сеульского национального университета в Южной Корее и его коллеги задались вопросом о том, что в предыдущих наблюдениях отсутствовали более пикантные едоки, потому что быстрые едоки ярче и их легче заметить. Если некоторые ранние массивные черные дыры были ленивыми пожирателями, их супер размеры становятся еще более загадочными — и могут исключить некоторые теории о том, как они росли.

Поэтому команда намеренно искала дальние квазары в сентябре 2015 года в Обсерватории Лас Кампанас в Чили.

Исследователи обнаружили, что объект IMS J2204 + 0112, черная дыра с миллионной солнечной массой, потребляющая на десятой части своего предела скорости, родом из того времени, когда Вселенной было около 940 миллионов лет. Но при ее скорости поглощения черная дыра не должна была полностью вырасти, пока вселенной не исполнилось бы 8 миллиардов лет, сообщила команда ученых на arXiv.org.

«Мы впервые показываем, что квазары с низким отношением Эддингтона существуют в ранней вселенной, — говорит Им.

IMS J2204 + 0112 — самый тусклый медленный квазар, но он не одинок. Физик Кьяра Маццучелли из Института астрономии им. Макса планка в Германии и его коллеги сообщили об 11 сверхмассивных черных дырах, которые существовали, когда Вселенной было менее 800 миллионов лет, в Астрофизическом журнале в ноябре прошлого года.

В среднем, эти квазары весом около 1,62 миллиарда солнечных масс, поглощают вещество со скоростью около 40 процентов от максимальной, сообщила команда. Как ни странно, самая большая черная дыра в этой группе, HSC J1205-0000, имела самый низкий потребления: черная дыра массой 4,7 миллиарда солнечных масс, «ела» со скоростью лишь 6 процентов от ее предела.

Было довольно странно найти сверхмассивные черные дыры с прожорливыми аппетитами в ранней вселенной, но этих придирчивых едоков еще труднее объяснить.

Астрономы надеются, что смогут заглянуть еще глубже и найти «семенные» черные дыры, которые могут вырасти в гигантов. Если бы некоторые черные дыры стали огромными, от 10 000 до миллионов солнечных масс, они могли бы расти даже больше, сливаясь друг с другом или акридируя на пределе Эддингтона.

«Если вы начнете с такого очень массивного объекта, у вас есть шанс, — говорит астрофизик Ави Леб из Гарвардского университета. «Тогда вам не нужно столько времени, чтобы вырасти до миллиарда солнечных масс».

Но теоретики уже 15 лет пытаются выяснить, как могут образоваться такие огромные черные дыры. Одна из идей заключается в том, что массивные газовые облака или сверхмассивные звезды могли рухнуть прямо в массивную черную дыру.

Супермассивные семена

Более поздняя работа предполагает, что это будет не так просто. Теоретические исследования показывают, что трудно исключить фрагментацию этих газовых облаков, чтобы сформировать кластер маленьких звезд, а не рушиться на одну крупную звезду, — говорит физик Доминик Шлейхер из Университета Консепсьона в Чили.

Шлейхер и его коллеги показывают, что такие кластеры также могут создавать массивные семена черных дыр, так как новообразованные звезды выделяют газ, оставшийся в кластере. Такие звезды могут набухать до 100-1000 радиусов Солнца. Их завышенные размеры и близость друг к другу заставят эти звезды столкнуться, вызывая эффект домино, который в конечном итоге собирает все звезды в кластере в одну супермассивную звезду в 10 000 раз больше массы Солнца. Тогда супермассивная звезда могла бы разрушиться, образуя относительно массивную черную дыру.

Другая возможность заключается в том, что ранние сверхмассивные черные дыры просто нарушали предел Эддингтона.  В современной вселенной существуют ситуации, когда черные дыры едят быстрее, чем предел Эддингтона, например, когда они пожирают звезду. Существуют также ситуации, когда радиация может быть захвачена вблизи поверхности черной дыры, не позволяя ей отталкивать материал. «В этом случае вы можете прокормить черную дыру так быстро, как вы хотите», — говорят ученые.

Или, по мнению Приамвады Натараджаны и ее коллег, ответ может быть следующим: черные дыры, которые рождаются большими, быстрее становятся больше.

В исследовании, проведенном в декабре 2017 года в журнале Astrophysical Journal Letters, она и ее коллеги провели компьютерное моделирование, показывающее, что некоторые среды могут увеличить рост черной дыры, позволяя черной дыре потреблять непрерывный поток газа.

Тем не менее, только черные дыры, рожденные с массами, по меньшей мере в 10 000 раз превышающие солнечную, могут вырасти до миллиарда солнечных масс в течение миллиарда лет. Но самые массовые семена, скорее всего, будут рождаться в среде, богатой газом.

«Окружающая среда вокруг и условия рождения этих черных дыр фактически ставят их на путь либо для быстрого всплеска роста, либо для довольно медленного роста», — говорит Натараджан. «Массивные семена черных дыр — это те, которые выиграли лотерею рождения и получили лучший старт в жизни».

В конечном счете, астрономам нужно будет заглянуть еще дальше во времени, если они надеются найти такие сверхмассивные семена. Космический телескоп Джеймса Уэбба, который должен был стартовать в 2019 году, должен быть способен обнаруживать квазары и звезды рожденные после 400 миллионов или 500 миллионов лет после Большого Взрыва. И будущая гравитационная волновая обсерватория под названием LISA будет нацелена на обнаружение сверхмассивных черных дыр в космической истории.