Астрономы разобрались с основным путем образования «невозможных» черных дыр

На протяжении десятков лет астрофизикам казалось, что ситуация со сверхмассивными черными дырами более-менее понятна. Сперва из коллапса массивной звезды возникает черная дыра звездных масс — не более десятков масс Солнца. Затем она поглощает газ и пыль, сливается с другими и в итоге образует сверхмассивные черные дыры, которые находятся в центре практически каждой известной галактики и играют роль «центра притяжения», ускоряющего эволюцию галактик в целом.

Однако в последние годы слишком многие открытия перестали совмещаться с этой картиной. Оказалось, уже через 600 миллионов лет после Большого взрыва существовали сверхмассивные черные дыры в 1,6 миллиарда масс Солнца (на картинке выше). Никакие мыслимые скорости роста черных дыр звездной массы не позволяют им «потолстеть» в 100 миллионов раз всего за 600-700 миллионов лет.

Особенно усложняло проблему то, что в первые сотни миллионов лет во Вселенной (до конца «темной эпохи») даже звезды не могли возникать с высокой скоростью, что уж тут говорить о черных дырах — финальной стадии эволюции массивных светил. Усугубило ситуацию обнаружение и таких галактик, где на сверхмассивную черную дыру приходилась не одна тысячная массы всей галактики, а одна сотая, десятая или даже одна вторая. Совершенно непонятно, почему в одних галактиках черные дыры росли скромно, а в других поглощали до половины всей ее массы.

Теперь исследователи из Университета штата Пенсильвания (США) попробовали объединить наблюдения космического рентгеновского телескопа «Чандра» за 8000 черных дыр с суперкомпьютерным моделированием процессов роста черных дыр (известным как IllustrisTNG).

«Чандру» выбрали потому, что при быстрой аккреции материи черной дырой вещество в аккреционном диске начинает светиться в рентгеновском диапазоне. Одна из работ научной группы уже вышла, вторая еще не опубликована, но ее тезисы ученые представили на 244-м собрании Американского астрономического общества.

Авторы поставили себе целью выяснить, какой механизм роста сверхмассивных черных дыр — аккреция газа и пыли или слияние с другими черными дырами — основной. Для этого они заложили в систему моделирования данные от рентгеновского телескопа и затем смотрели, какие компьютерные симуляции совместимы с такими наблюдательными данными.

Выяснилось, что почти весь рост сверхмассивных черных дыр состоялся в очень древнюю эпоху. Семь миллиардов лет назад Вселенная имела примерно то же их число, что и сегодня. Причем к тому моменту наиболее массивные черные дыры уже набрали практически всю свою массу.

Самый активный рост таких дыр пришелся как раз на эпоху максимальной рентгеновской светимости их окрестностей — получается, основным источником массы было поглощение относительно холодного межзвездного газа в центральных областях их галактик. Слияния стали играть заметную роль только в последние пять миллиардов лет, когда основная эпоха роста явно осталась позади.

Это не значит, что слияния не были важны: для тех черных дыр, что «опоздали» к ключевой эпохе роста, они часто играют большую роль. Просто подобных черных дыр не столь много. Кстати, сверхмассивная дыра в центре Млечного Пути оказалась из относительно «отставших в развитии»: ее рост пришелся на сравнительно позднюю эпоху. Возможно, в этом причина того, что она достигла лишь четырех миллионов солнечных масс, а не миллиардов, как многие другие.

Хотя астрономы внесли ясность в наблюдаемую часть истории со сверхмассивными черными дырами, они не сняли главный вопрос. Как именно стали возможны многочисленные и очень массивные черные дыры в самой ранней Вселенной?