Надмасивні чорні діри в ранньому Всесвіті з’явилися значно раніше, ніж передбачає теорія. Нова модель пов’язує їхнє походження з частими зіткненнями у надщільних скупченнях. У скупченні без чорної діри зорі під час зіткнень зливаються, доки не утвориться одна гігантська зоря, яка згодом колапсує в чорну діру. А якщо чорна діра в центрі скупчення вже є, зорі біля неї при зіткненнях руйнуються й перетворюються на газ, і це може пояснити загадкові маленькі червоні цятки на знімках James Webb.
Зоря з масою скупчення
У найщільніших скупченнях раннього Всесвіту, за розрахунками, могла утворитися зоря масою понад 100 тис. сонячних. Для порівняння, найважча з відомих зір важить близько двохсот. Провідна авторка роботи Клер Вільямс із Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі вважає найдивнішим результатом моделі саме те, що злиття повторюються, доки маса однієї зорі не зрівняється з масою цілого скупчення.
У щільному скупченні зорі рухаються надто повільно, щоб розірвати одна одну, тож при зіткненні зливаються в одну, масивнішу. Така зоря поступово сповільнюється й опускається до центру скупчення. Там вона знову зіштовхується з іншими та росте далі.
Зоря понад 100 тис. мас Сонця втрачає стійкість і колапсує в чорну діру. Легші гіганти масою від 200 сонячних, за спрощеним припущенням авторів, теж стають чорними дірами, й маса кожної такої діри дорівнює масі зорі, з якої вона утворилася. Робота опублікована в рецензованому The Astrophysical Journal.
Замало часу
Маса надмасивних чорних дір сягає мільйонів мас Сонця і більше, а за допомогою James Webb їх знаходять уже через 400–500 млн років після Великого вибуху. Чорна діра, що виникла зі звичайної зорі, має масу лише в десятки сонячних.
Набирати речовину швидше за певну межу вона не може, бо випромінювання розігрітого газу відштовхує нові порції, тож за кілька сотень мільйонів років така діра не встигає вирости.
Зародок, що від початку важить сотні чи тисячі мас Сонця, цей шлях суттєво скорочує. Автори вважають, що такі чорні діри згодом могли зростати до надмасивних, зокрема зливаючись між собою.
У мільйон разів щільніше
Щоб утворилася зоря масою понад 200 сонячних, скупчення має бути надзвичайно щільним. У кубі зі стороною понад три світлові роки має зосереджуватися щонайменше 100 тис. мас Сонця. Біля Сонця в такому самому об’ємі речовини в мільйон разів менше, лише близько десятої частки сонячної маси.
Космологічні симуляції показують, що в ранньому Всесвіті такі надщільні скупчення виникали природно. За допомогою James Webb астрономи вже знайшли подібні компактні скупчення в далеких галактиках, і в найщільніших із них, за моделлю, могли утворитися гіганти в тисячі й десятки тисяч сонячних мас.
Газ біля чорної діри
Якщо в центрі скупчення вже є чорна діра, її тяжіння розганяє довколишні зорі на понад 600 км/с. За такої швидкості енергія удару перевищує ту, що утримує зорю як ціле, тож обидва учасники зіткнення руйнуються. Газ із їхніх надр накопичується навколо чорної діри.
Саме такий вигляд можуть мати маленькі червоні цятки. Як нагадує Universe Today, так називають сотні компактних червонуватих об’єктів раннього Всесвіту на знімках James Webb. Одна з версій пояснює їх як чорні діри в щільному газі, що приховує їхнє рентгенівське випромінювання і слугує речовиною для їхнього росту.
Модель дає таку саму густину газу, яку виводять зі спостережень, а подекуди й вищу. Втім, автори визнають, що спрощений розрахунок може завищувати руйнування зір, а отже й кількість газу, аж до десяти разів. Тому вони обережно називають результат можливим аналогом червоних цяток, а для найважчих чорних дір допускають, що їхнє випромінювання розсіє газ раніше.
Азотний слід
Газ зі зруйнованих зір походить із надр, де ядерні реакції накопичують азот. Тож азоту відносно кисню в ньому має бути незвично багато, і такий надлишок уже знаходили в компактних системах раннього Всесвіту.
Точний розрахунок кількості азоту від цього механізму автори залишили на наступну роботу. Так само відклали оцінку того, як часто чорна діра в такому скупченні розриватиме зорі припливними силами, хоча модель передбачає такі події.
