Тайна «Маленьких красных точек»: суперкомпьютеры и JWST переписывают историю рождения сверхмассивных черных дыр

Исследователи под руководством профессора Фолькера Бромма из Техасского университета в Остине обнаружили, что загадочные объекты «Маленькие красные точки» (LRD), найденные телескопом Джеймс Уэбб (JWST), могут объяснять происхождение сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной. Ученые пришли к выводу, что эти компактные источники света питаются энергией черных дыр, сформировавшихся по механизму «тяжелых зародышей» (прямого коллапса), что противоречит стандартной модели «легких зародышей» (коллапса звезд). Результаты исследования, подтвержденные с помощью суперкомпьютеров Lonestar6 и Stampede3 в Техасском центре передовых вычислений (TACC), опубликованы в журнале Astrophysical Journal.

Телескоп Джеймс Уэбб, работающий с 2021 года, продолжает революционизировать астрофизику, предоставляя данные о событиях, произошедших через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Одним из самых неожиданных открытий стали сверхмассивные черные дыры, достигающие массы в 100 миллионов солнечных, объекты, существование которых в столь раннюю эпоху плохо вписывается в традиционные космологические модели.

Фолькер Бромм, профессор астрономии и содиректор Центра космических исследований в Техасском университете в Остине, пояснил, что обнаружение этих черных дыр стало сюрпризом, поскольку оно противоречит стандартной модели формирования структуры Вселенной из мелких фрагментов («легких зародышей») в крупные. Вместе с коллегами он провел анализ любопытных астрономических объектов, названных «Маленькими красными точками» (Little Red Dots, LRD), которые отличаются чрезвычайной компактностью, большим красным смещением и необычными спектральными характеристиками.

Исследователи сравнили данные JWST по LRD с теоретическими моделями, основанными на гипотезе «тяжелого зародыша» — так называемых черных дыр прямого коллапса (Direct Collapse Black Holes, DCBH). Согласно этой гипотезе, такие объекты формируются в результате быстрого коллапса огромных первичных облаков водорода и гелия, минуя стадию звезды.

Это принципиально отличается от сценария «легких зародышей», где черная дыра возникает после того, как массивная звезда выжигает ядерное топливо и коллапсирует, давая остаток массой в десятки или сотни солнечных. Бромм отметил, что LRD представляют собой финальную стадию формирования DCBH: эти объекты, по-видимому, питаются энергией сверхмассивных черных дыр, окруженных массивным газовым коконом из плотного вещества.

Для проверки гипотезы ученые получили доступ к суперкомпьютерам Lonestar6 и Stampede3 в Техасском центре передовых вычислений (TACC) в рамках программы исследовательской киберинфраструктуры Техасского университета. Эти вычислительные системы мирового класса позволили разработать модели, стартующие с условий, в которых Вселенная находилась примерно через полмиллиона лет после Большого взрыва, используя данные о космическом микроволновом фоне.

Ключевым моментом стало соединение темной материи с барионами (видимым веществом), область, которая является полностью нелинейной и требует огромных вычислительных ресурсов. Ученые использовали код моделирования формирования галактик A-SLOTH (Ancient Stars and Local Observables by Tracing Halos), чтобы заселить раннюю Вселенную черными дырами и сравнить результаты со стандартными моделями звездных остатков. В результате модели на основе «тяжелых зародышей» показали лучшее соответствие наблюдаемой статистике популяции LRD и свойствам гало темной материи.

Для анализа данных JWST исследователи применили так называемый «генетический метод», при котором данные разбиваются на исходные объекты и строится дерево объединения истории LRD с самого начала, подобно тому, как можно проследить родословную человека на миллионы лет назад, чтобы понять его сегодняшние характеристики.

В модель были включены ключевые астрофизические процессы: гало темной материи, первичный газ, звездообразование, жизненный цикл звезд, обратная связь от сверхновых и обогащение тяжелыми химическими элементами. Хотя искусственный интеллект не использовался напрямую в моделировании, он сыграл вспомогательную роль при извлечении ключевых свойств LRD из изображений JWST. Бромм подчеркнул, что главная задача современной астрофизики, с помощью суперкомпьютеров понять данные о первых галактиках, решая сложные дифференциальные уравнения и сопоставляя видимую («светящуюся») Вселенную со свойствами темной материи.

Моделирование на суперкомпьютерах подтвердило, что объекты «Маленькие красные точки» соответствуют сценарию образования сверхмассивных черных дыр через прямой коллапс «тяжелых зародышей», а не через медленное звездное выгорание. Это исследование разрешает противоречие между наблюдениями JWST и стандартной космологической моделью, показывая, что гигантские черные дыры могли формироваться в ранней Вселенной очень быстро из первичных газовых облаков.

С философской точки зрения, как отметил Фолькер Бромм, возможность проследить почти 14-миллиардную историю космоса является захватывающим достижением человечества, ставшим возможным благодаря суперкомпьютерным вычислениям.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях