Первобытные чёрные дыры

Астрономы наши доказательства существования особого вида чёрных дыр, родившихся сразу после Большого Взрыва. Они установили, что недавно открытый источник интенсивного рентгеновского излучения, вероятно, является чёрной дырой прямого коллапса. Теория предсказывает, что такие чёрные дыры образуются благодаря коллапсу газового облака, минуя стадию образования звезды.

Астрономы Aaron Smith и Volker Bromm из университета Техаса в Остине, совместно с Avi Loeb (Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики), нашли доказательства существования чёрных дыр прямого коллапса. Изученный ими источник излучения является такой чёрной дырой.

«Это космическое чудо!» - говорит Bromm, указывая на уникальные условия в ранней Вселенной, которые привели к формированию этих экзотических объектов. «Только тогда были условия для образования этих монстров», также добавляет Bromm.

Чёрные дыры этого типа могут быть решением старой загадки астрономии. Как именно могли сформироваться сверхмассивные чёрные дыры в ранние эпохи после Большого Взрыва? Важно доказать их существование, поскольку только они могут объяснить наличие квазаров в юной Вселенной. До сих пор было неясно как они образовались, так как современные модели дают слишком большие сроки на рост квазара до того состояния, в котором мы их наблюдаем.

Астрономы уверены, что знают, как образуются чёрные дыры в центре большинства галактик в наше время или, по крайней мере, не так давно в масштабах вселенной. Сначала коллапсирует массивная звезда с массой около 100 солнечных масс. Это - зародыш будущего монстра. Потом он начинает поглощать окружающий газ и сливаться с другими аналогичными объектами, становясь все более и более тяжелым. Такой процесс называется аккрецией.

Теория аккреции не может объяснить наличие чёрной дыры в квазаре в галактиках очень далеко от нас, т.е. очень молодых по меркам Вселенной. Видимые за миллиарды световых лет, квазары невероятно яркие и горячие. Материя падая на чёрную дыру закручивается в спираль, образуя аккреционный диск и разогревается до миллионов градусов, образуя джеты. Джеты, как маяки, освещают всю Вселенную.

Эти ранние галактики могут содержать в себе звезды первого поколения, возникшие сразу после Большого Взрыва. Очевидно, что они не могут быть источниками существующих с ними одновременно квазаров. Попросту нет никакого газа вокруг чёрной дыры, образовавшейся из такой звезды, поскольку он был отброшен солнечным ветром молодых, горячих звезд.

Процесс активного звездообразования – враг сверхмассивных чёрных дыр. Звезды рассеивают газовые облака, в которых они образовались. Астрономы назвали это проблемой зарождения квазара. В 2003 году Bromm и Loeb предложили теорию, исключающую звездообразование из процесса формирования чёрной дыры. Позже она получила название «теории прямого коллапса».

Первоначальные облака водорода и гелия образовались в океане ультрафиолетового излучения. Облака сжимались гравитационным воздействием гало из темной материи. В более поздние эпохи, облако успевало охладиться при сжатии, что приводило к фрагментации и активному звездообразованию. А тогда ультрафиолетовые фотоны поддерживали высокую температуру газа, препятствуя началу процесса формирования звезд. Сложились уникальные условия для коллапса облака целиком, без образования отдельных звезд.

Процессы прямого коллапса строго детерминированы возрастом Вселенной, сейчас такого не происходит вообще. Тогда квазары были гигантскими младенцами, занимающими комнату, предназначенную для многих обычных детей. И только одно оставалось загадкой, каким должно быть окружение этих гигантов? Ведь резервуары холодного газа, например в нашей галактике, интенсивно формируют звезды, а не коллапсируют в чёрные дыры.

В теории, предлагаемой учеными, первое поколение галактик сильно отличалось от современных. Вместо образования множества звезд, образовалась одна сверхмассивная в центре облака газа. Последующий коллапс и аккреция газа на чёрную дыру привели к появлению квазара. Весь газ съеден одним объектом, вместо того чтобы превратиться в обычные звезды.

Bromm и Loeb опубликовали теорию в 2003, тогда она не была подкреплена хоть какими-то наблюдениями. Сейчас, спустя десяток лет ученые изучают снимки галактики CR7, сделанные телескопом Хаббл. Галактика снята в возрасте 1 миллиарда лет после Большого Взрыва.

Во время изучения выяснилось, что у CR7 очень необычные свойства световой сигнатуры. Линии водорода, называемые Лайман-Альфа, были в несколько раз ярче чем ожидалось. Также неожиданно яркой была линия гелия. Источник ультрафиолетового излучения был чрезвычайно горячим, настолько, что это привело к ионизации гелия. Температура его выше 100 000 С. Это и отсутствие в спектре каких бы то ни было линий элементов тяжелее гелия (металлов), плюс огромная дистанция до объекта, указывают на компактное скопление звезд или квазар, который образовался в результате прямого коллапса.

Оба сценария легли в основу теоретической модели, расчет которой был сделан суперкомпьютером. Новый код дал не снимок Вселенной того периода, а показал весь процесс в динамике. Несмотря на большие сложности в создании, модель дала точные предсказания. Сценарий, предполагающий множество звезд, провалился. В тоже время, сценарий прямого коллапса, дал прекрасные результаты, которые можно подтвердить путем наблюдения за далекими галактиками.

В случае с CR7, наблюдения подтверждают теоретическую модель. Сейчас наблюдаются еще два объекта, предположительно, образовавшиеся путем прямого коллапса. С помощью рентгеновского телескопа Чандра будут получены данные, необходимые для прогона в компьютерной модели. С большой долей вероятности найдено решение проблемы квазаров.