КАК РАННЕЕ ВСЕЛЕННАЯ СПОСОБСТВУЕТ РАСТУ СУПЕРМАССИВНЫХ ЧЕРНЫХ ДЫР, НО НЕ В ДОЛГОСРОЧНОЙ ПЕРСПЕКТИВЕ
В самом центре нашей галактики, всего в 27 000 световых лет от Земли, находится суперпеременная черная дыра с массой свыше 4 миллионов солнечных масс. Почти все галактики содержат подобные суперпеременные черные дыры, и многие из них значительно больше. Например, черная дыра в эллиптической галактике M87 обладает массой в 6,5 миллиардов солнечных масс. Самые крупные черные дыры превышают 40 миллиардов солнечных масс. Но как же образуются эти гиганты?
Одна из гипотез заключается в том, что суперпеременные черные дыры формируются в процессе слияния. Из-за темной материи и темной энергии галактики скапливаются в кластеры, разделенные пустотами в пространстве. Со временем эти пустоты расширяются, а галактики сближаются и в итоге сливаются. Черные дыры внутри этих галактик также объединяются, образуя суперпеременные объекты, которые мы наблюдаем сегодня.
Однако этот процесс требует времени. Если данная модель верна, то самые удаленные галактики должны содержать черные дыры с меньшей массой, всего в несколько миллионов солнечных масс, в то время как гиганты в миллиард солнечных масс должны встречаться только в близлежащей Вселенной. Тем не менее, наблюдения, полученные с помощью телескопа James Webb, показали, что в ряде самых далеких галактик уже существуют суперпеременные черные дыры с массой более миллиарда солнечных масс. Эти молодые гиганты слишком массивны, чтобы их появление можно было объяснить слияниями, и они противоречат установленным теориям.
Возникает вопрос: почему? Ведь ранняя Вселенная была невероятно плотной. С большим количеством материи вокруг, черные дыры могли бы быстро увеличивать свою массу. Однако существует лимит, известный как предел Эддингтона. Когда материя стремится к черной дыре, она нагревается и становится плазмой с высоким давлением, что отталкивает более удаленные объекты и замедляет темп роста. Предел Эддингтона определяет максимальную скорость, с которой черная дыра способна увеличиваться. Эта скорость недостаточна, чтобы объяснить все гигантские черные дыры, которые мы видим в ранней Вселенной.
Тем не менее, самая ранняя эпоха Вселенной существенно отличалась от текущей. Что если в то время предел Эддингтона не действовал? Это вопрос, который был исследован в недавней статье на arXiv. Исследователи создали сложные гидродинамические модели, чтобы изучить формирование черных дыр в так называемую космическую темную эпоху — период после остывания электронов и ядер, когда формировались атомы, но до процесса ренонизации, когда появились первые звезды и освободили космос от темноты. Мы знаем, что в этот период начали формироваться галактики, и разумно предположить, что суперпеременные черные дыры также появились именно тогда.
На основе своих симуляций авторы исследования обнаружили существование периода супер-Эддингтона. В его рамках существуют области с достаточной плотностью, где разогретый материал, находящийся близко к черной дыре, не может покинуть эту зону. Это дало возможность ранним черным дырам расти быстрее, чем это возможно в наши дни. Однако письменные данные показывают, что этот рост ограничен примерно 10 000 солнечными массами. После этого опять срабатывает механизм обратной связи по Эддингтону, и темп роста ограничивается. Команда также установила, что рост на уровне супер-Эддингтона не обеспечивает значительных долгосрочных преимуществ. В итоге даже черные дыры, которые всегда росли с низкому темпу, достигнут той же массы. Олимпийский спринтер Усэйн Болт может быть самым быстрым человеком в мире, но марафонец Элиуд Кипчоге обгонит его на дальней дистанции.
Это исследование наглядно указывает на то, что рост черных дыр на уровне супер-Эддингтона не способен объяснить появление всех миллиардных черных дыр, которые мы наблюдаем в ранней
