Ученые нашли способ находить сверхмассивные черные дыры в процессе их рождения по особому типу излучения. Телескоп James Webb (JWST) обладает достаточной мощностью, чтобы его обнаружить.
Одним из самых загадочных открытий в современной астрономии стало обнаружение сверхмассивных черных дыр, некоторые из которых весят в миллиарды раз больше нашего Солнца, в галактиках, образовавшихся менее чем через 750 млн лет после Большого взрыва. Похоже, что они росли с невероятной скоростью. Это ставит под сомнение наше понимание того, как образуются и развиваются черные дыры.
Традиционный путь образования черных дыр включает в себя коллапс звезды, когда массивная звезда умирает и оставляет после себя черные дыры, вес которых обычно в несколько раз превышает вес Солнца. Но для того, чтобы эти звездные остатки превратились в гигантов с массой в миллиарды масс Солнца в ранней Вселенной, потребовалось бы питание с невозможной скоростью в течение исключительно длительного периода времени.
Альтернативным объяснением является сценарий прямого коллапса. Согласно ему, заполонявшие новорожденную Вселенную массивные облака первичного газа напрямую коллапсировали в зародыши сверхмассивных черных дыр без образования звезд.
Ключевым требованием для процесса прямого коллапса является поддержание газа при температуре охлаждения атомарного водорода около 10 тысяч градусов, что предотвращает фрагментацию, которая привела бы к образованию звезд. В этих условиях массивные газовые облака могут коллапсировать непосредственно в плотные ядра, которые в конечном итоге становятся зародышами черных дыр.
Результаты нового исследования, опубликованного на сервере препринтов arXiv, говорят о том, что в процессе прямого коллапса происходило испускание особого типа света, называемого излучением Лаймана-альфа. Оное возникает, когда атомы водорода поглощают и повторно излучают ультрафиолетовое излучение. Во время прямого коллапса это излучение представляет собой один из основных процессов охлаждения, унося энергию по мере сжатия газового облака.
Предыдущие модели предполагали сферический коллапс, который удерживал бы фотоны и уничтожал их посредством квантовых процессов. Однако исследователи предлагают более реалистичный сценарий, включающий вращающийся газ, который образует аккреционный диск вокруг центральной концентрации массы. Это создает биконическую своеобразную «воронку» вдоль оси вращения, через которую может уходить излучение.
Используя сложные компьютерные симуляции и расчеты переноса излучения, ученые обнаружили, что значительная часть фотонов Лаймана-альфа может уходить через эти каналы оттока. Для объекта, предшествующего сверхмассивной черной дыре, с красным смещением 10 (когда возраст Вселенной составлял всего около 500 млн лет), более 95% излучения Лаймана-альфа могло уходить и потенциально быть обнаруженным. Моделирование также показывало, что инструменты космического телескопа JWST вполне способны обнаружить эти сигналы с помощью режима многообъектной спектроскопии и примерно 10 000 секунд наблюдательного времени.
По словам ученых, если их исследование будет подтверждено реальными наблюдениями JWST, это коренным образом изменит астрофизику, доказав сценарий, который еще недавно считался весьма экзотическим. Обнаружение прямого коллапса также станет важной вехой в понимании происхождения сверхмассивных черных дыр, которые сформировали структуру ранней Вселенной.
Ранее мы рассказывали о том, как нобелевский лауреат призвал не доверять изображениям черных дыр, полученным с использованием нейросетей.
По материалам Phys.org
