Вселенная пошла коротким путём: первые галактики запустили неконтролируемый рост

Астрономов давно удивляло, как первые чёрные дыры во Вселенной сумели вырасти до гигантских размеров за считаные миллионы лет. Наблюдения показывают: уже в ранние эпохи существовали объекты в десятки тысяч раз массивнее Солнца. Новые расчёты предлагают неожиданное объяснение этого феномена. Об этом сообщает Earth.

Фото: Generated by AI (DALL·E 3 by OpenAI) is licensed under Free for commercial use (OpenAI License)

Слияние черных дыр

Загадка стремительного роста чёрных дыр

Согласно классическим моделям, рост чёрных дыр должен быть плавным и ограниченным излучением, которое мешает газу падать внутрь. Однако реальные наблюдения ранней Вселенной этому противоречат. Слишком массивные объекты появляются слишком рано, будто бы стандартные ограничения на рост просто не срабатывали — подобно тому, как недавние наблюдения процесса формирования сверхбыстрых ветров у чёрных дыр уже заставили пересмотреть прежние теории.

Астрономы предполагали, что дело может быть в "тяжёлых" зародышах чёрных дыр, но новые данные указывают на другой сценарий, при котором даже небольшие начальные объекты могли быстро набирать массу.

Хаотичные галактики как ускоритель роста

Современные симуляции показывают: первые галактики были крайне нестабильными. Газ в них не вращался спокойно, а сталкивался, сжимался и терял угловой момент. В таких условиях вещество гораздо легче устремлялось к центру, подпитывая зарождающиеся чёрные дыры.

"Мы показали, что ранние чёрные дыры, даже будучи маленькими, способны быстро расти при подходящих условиях", — отмечает аспирант Университета Мейнута Дакшал Мехта.

Этот рост происходил не постоянно, а короткими всплесками, когда поток газа временно превышал теоретические пределы.

Сверхэддингтоновская аккреция

Классический предел Эддингтона описывает баланс между силой гравитации и давлением излучения. Но в плотных и турбулентных потоках свет хуже покидает область вокруг чёрной дыры, позволяя газу продолжать падение.

Так возникает сверхэддингтоновская аккреция — краткая фаза, когда чёрная дыра "питается" быстрее, чем допускают упрощённые модели. Именно такие эпизоды могли обеспечить скачкообразный рост массы.

Откуда брались первые "семена"

Лёгкие зародыши чёрных дыр, по расчётам, могли возникать при коллапсе самых первых звёзд, состоявших почти полностью из водорода и гелия. Эти объекты были относительно маломассивными и долго считались неспособными вырасти в ранние сверхмассивные чёрные дыры.

"Ранее считалось, что такие крошечные чёрные дыры не могут превратиться в гигантов", — подчёркивается в исследовании.

Новые модели показывают, что решающим фактором были не начальные размеры, а условия в окружающей галактике.

Почему нужны сверхточные симуляции

Чтобы зафиксировать эти краткие всплески роста, учёным пришлось моделировать газ в масштабах, намного меньших звёздных скоплений. Высокое разрешение позволило увидеть, как формируются узкие потоки и диски, направляющие вещество к центру.

Цена за такую детализацию — ограниченное время моделирования. Даже самые мощные вычисления охватывают лишь сотни миллионов лет, но этого оказалось достаточно, чтобы уловить ключевые процессы, аналогично тому, как наблюдения взрывов в ранней Вселенной уже меняют представления о первых этапах космической эволюции.

Обратная связь и её роль

Молодые галактики не только кормили чёрные дыры, но и активно мешали им. Взрывы сверхновых и нагрев газа могли быстро перекрывать доступ к топливу. В большинстве случаев рост прерывался, но небольшой доле зародышей удавалось вырваться вперёд.

Именно эта редкая комбинация условий, а не уникальное происхождение, могла породить ранние гиганты.

Связь с наблюдениями телескопов

Космический телескоп James Webb уже обнаружил чёрные дыры, масса которых кажется чрезмерной для их возраста. Эти находки хорошо согласуются с моделью кратких, но интенсивных фаз роста.

В будущем дополнительную проверку даст космическая обсерватория LISA, которая будет регистрировать гравитационные волны от слияний чёрных дыр. Количество и характер сигналов помогут понять, насколько распространён был путь быстрого роста.

Сравнение сценариев роста чёрных дыр

Модель тяжёлых семян предполагает редкое, но мощное начало. Сценарий лёгких семян с быстрыми всплесками роста делает акцент на окружающей среде. Оба пути могут сосуществовать, а их вклад зависит от свойств ранних галактик.