До XXI века классическая картина образования галактик была такой: сперва возникают первые массивные звезды, при их взрывах образуются черные дыры. Затем такие ЧД сливаются друг с другом и поглощают окружающий их газ, набирая массу и постепенно превращаясь в сверхмассивные — в миллионы, а то и миллиарды масс Солнца. В 2010-х годах к этой картине возникли серьезные вопросы. Многие галактики всего через миллиард лет после Большого взрыва уже имели крайне массивные черные дыры, хотя в самые первые сотни миллионов лет Вселенной даже звезды еще не успели зажечься.
Теперь в Nature опубликовали работу, ставящую под вопрос саму возможность образования первых сверхмассивных черных дыр из первых звезд Вселенной. Международная группа ученых показала, что объект Abell 2744−QSO1 — не просто черная дыра, массой не ниже 50 миллионов Солнц, но и объект, вокруг которого есть целая галактика. Только вот звездная масса этой галактики — меньше половины от массы ее центральной черной дыры.
Классический сценарий роста сверхмассивной черной дыры тут явно не работал. ЧД поглощает материю с определенной скоростью, которая не может быть превышена по чисто физическим причинам (предел Эддингтона). Телескопы видят Abell 2744−QSO1 таким, каким он был всего через 700 миллионов лет после Большого взрыва. Довольно сложно представить, как за такое время черная дыра могла бы поглотить больше звезд и газа по массе, чем есть в окружающей ее галактике. Кроме того, астрономы в работе установили, что Abell 2744−QSO1 поглощает вещество значительно медленнее своего предела Эддингтона.
Авторы заключают: «Насколько нам известно, это… делает QSO1 самой «голой» массивной ЧД из когда-либо обнаруженных». Иными словами, эта галактика состоит в основном из черной дыры, вокруг которой меньше звезд, чем в любом другом известном объекте такой природы. В близких к нам регионах Вселенной соотношение массы черной дыры и окружающих ее звезд примерно в тысячу раз ниже.
Ученые констатировали, что это хорошо стыкуется с более ранними работами, согласно которым этот объект содержит чрезвычайно мало тяжелых элементов. Элементы тяжелее гелия и лития во Вселенной образовались в основном в результате эволюции звезд. Логично, что в галактике с минимумом звезд таких элементов почти нет.
Исследователи считают, что единственное реальное объяснение такой «маленькой красной точке» — это черная дыра так называемого «первичного формирования». То есть такая, которая возникла не из звезд, а образовалась в силу каких-то иных процессов. Кандидатами в такие процессы авторы посчитали «прямой коллапс» первичного газа в черные дыры, минуя стадию образования звезд. Или так называемые первичные черные дыры, образовавшиеся по неким причинам в первую же секунду после Большого взрыва, когда плотность вещества Вселенной была еще очень большой.
В то же время сценарий прямого коллапса требовал бы мощного УФ-излучения из этого района. Но никаких следов такого излучения там нет. В силу этого и крайне низкого содержания тяжелых элементов в этом районе, астрономы посчитали наиболее вероятным объяснением загадки Abell 2744−QSO1 первичную черную дыру. Правда, и тут есть сложность: большинство моделей образования первичных черных дыр показывают, что они возникли относительно маломассивными. Как они могли сливаться в первые 700 миллионов лет истории Вселенной так быстро, чтобы мы видели Abell 2744−QSO1 с массой в полсотни миллионов солнечных — понять непросто.
Исследователи предположили, что это может объясняться образованием первичных черных дыр в плотных скоплениях. Если те действительно очень плотные, черным дырам в них проще сливаться между собой. Слабость этого объяснения в том, что на сегодня все модели образования именно первичных черных дыр требуют привлечения экзотических механизмов, не вытекающих напрямую из доказанных физических теорий.
Но есть и такие модели эволюции Вселенной, в которых образование объектов, подобных Abell 2744−QSO1, происходит естественным образом без привлечения новых физических механизмов или теорий. В рамках гипотезы циклической Вселенной Николая Горькавого черные дыры переходят из одного цикла развития Вселенной в другой, то есть способны пережить Большой взрыв.
Хотя основная их часть имеет массу в несколько Солнц (как ЧД, чьи слияния регистрируют LIGO), часть из этих реликтовых черных дыр обладает большей массой уже с самого начала развития Вселенной. В итоге они становятся объектами, вокруг которых и возникают галактики — сперва в виде облаков газа, а затем и возникающих из них звезд.