Ученые пытаются разгадать загадку того, как в начале существования нашей Вселенной, еще до появления звезд, могли образоваться сверхмассивные черные дыры. Они предположили, что в этом могла помочь темная материя.
Как образовались первые сверхмассивные черные дыры?
Сверхмассивные черные дыры, подобные той, что находится в центре Млечного Пути, формируются очень долго. Обычно для рождения черной дыры нужна гигантская звезда массой по меньшей мере в 50 раз больше, чем у нашего Солнца. Этот процесс может длиться миллиард лет — и ее ядро сжимается само по себе.
Даже в этом случае, имея лишь около 10 масс Солнца, образующаяся черная дыра далека от черной дыры массой 4 млн солнечных, Стрельца А*, находящейся в нашей Галактике, или от сверхмассивных черных дыр массой в миллиард солнечных, найденных в других галактиках. Такие гигантские черные дыры могут образовываться из меньших черных дыр путем аккреции газа и звезд, а также путем слияния с другими черными дырами, которое занимает миллиарды лет.
Почему же тогда космический телескоп James Webb открывает сверхмассивные черные дыры в самом начале времени за эоны до того, как они должны образоваться? У астрофизиков Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе есть ответ, такой же загадочный, как и сами черные дыры: темная материя удерживала водород от охлаждения достаточно долго, чтобы гравитация смогла сконденсировать его в облака, довольно большие и плотные, чтобы превратиться в черные дыры вместо звезд. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Образование через большое газовое облако
Некоторые астрофизики предполагают, что большое облако газа может коллапсировать и образовать сверхмассивную черную дыру напрямую, минуя длинную историю горения, аккреции и слияния звезд. Но здесь есть загвоздка: гравитация действительно притягивает большое облако газа, но не в одно большое облако. Вместо этого она собирает части газа в маленькие ореолы, плавающие друг у друга, но не образующие черную дыру.
Причина в том, что газовое облако охлаждается слишком быстро. Пока газ горячий, его давление может противодействовать гравитации. Однако если газ охлаждается, давление уменьшается, и гравитация может преобладать во многих маленьких областях, которые коллапсируют в плотные объекты до того, как она успеет затянуть все облако в единственную черную дыру.
«Скорость охлаждения газа в значительной степени зависит от количества молекулярного водорода, — говорит первый автор и докторант Ифань Лу. — Атомы водорода, связанные между собой в молекуле, рассеивают энергию, когда они сталкиваются со свободным атомом водорода. Молекулы водорода становятся охлаждающими агентами, поскольку они поглощают тепловую энергию и излучают ее. Водородные облака в ранней Вселенной содержали слишком много молекулярного водорода, поэтому газ быстро охлаждался и образовывал маленькие гало вместо больших облаков».
Лу и исследователь Закари Пикер написали код для расчета всех возможных процессов этого сценария и обнаружили, что дополнительное излучение может нагревать газ и диссоциировать молекулы водорода, изменяя скорость охлаждения газа. Если добавить излучение в определенном энергетическом диапазоне, оно разрушает молекулярный водород и создает условия, предотвращающие фрагментацию больших облаков.
Откуда берется излучение?
Лишь крохотная часть материи во Вселенной — это та, из которой состоят наши тела, наша планета, звезды и все остальное, что мы можем наблюдать. Подавляющее большинство материи, которую можно обнаружить благодаря ее гравитационному воздействию на звездные объекты и искривлению световых лучей от удаленных источников, состоит из каких-то новых частиц, которые ученые еще не идентифицировали.
Таким образом, формы и свойства темной материи остаются загадкой, которую еще предстоит разгадать. Хотя мы не знаем, что такое темная материя, теоретики элементарных частиц уже давно предполагают, что она может содержать нестабильные частицы, которые могут распадаться на фотоны, частицы света. Включение такой темной материи в симуляции обеспечило излучение, необходимое для того, чтобы газ оставался в большом облаке во время коллапса в черную дыру.
Темная материя может состоять из медленно распадающихся частиц или же она может состоять из нескольких видов частиц: стабильных и распадающихся на ранних стадиях. В любом случае продуктом распада может быть излучение в виде фотонов, которые расщепляют молекулярный водород и предотвращают слишком быстрое охлаждение водородных облаков. Даже очень слабый распад темной материи давал достаточно излучения, чтобы предотвратить охлаждение, формируя большие облака и, наконец, сверхмассивные черные дыры.
«Это может быть объяснением того, почему сверхмассивные черные дыры обнаруживаются очень рано, — говорит Пикер. — Если вы настроены оптимистично, вы также можете рассматривать это как положительное доказательство существования одного из видов темной материи. Если эти сверхмассивные черные дыры образовались вследствие коллапса газового облака, то, возможно, дополнительное излучение должно было проистекать из неизвестной физики темного сектора».
По материалам phys.org
