Астрофизики из Института Макса Планка (Германия) попытались ответить на давний вопрос: как всего через 600 миллионов лет после рождения Вселенной в ней образовались черные дыры размером в миллионы и миллиарды Солнц? Стандартное падение газа под действием гравитации не позволяет объектам расти столь быстро. Чтобы понять, как именно материя сжималась в молодом космосе, ученые запустили виртуальную модель тех процессов на суперкомпьютере ATERUI III. Итоги расчетов опубликовали в журнале Nature.
Симуляция показала: молодая галактика направляла мощное ультрафиолетовое излучение на соседние облака водорода и гелия. Это жесткое излучение не давало газу остывать и распадаться на мелкие фрагменты (поэтому из облака не формировались обычные звезды).
Вместо этого вся огромная масса газа единым потоком сжималась под собственной тяжестью в одну гигантскую звезду. Вскоре она разрушалась под собственным весом и превращалась в первичную черную дыру. Вокруг нее сразу же закручивался плотный газовый кокон, который удерживал энергию внутри и позволял объекту непрерывно поглощать окружающее вещество.
Главный секрет такого стремительного роста кроется в плотности газового кокона. Обычно падающее в черную дыру вещество сильно разогревается и начинает ярко светиться. В этот момент поток света действует как физический барьер: он буквально расталкивает падающий газ и перекрывает черной дыре «еду», замедляя ее рост. Но в молодой Вселенной вокруг объекта скопилось так много плотной материи, что она сработала как ловушка для излучения. Свет не смог пробиться наружу и сдуть излишки газа, благодаря чему черная дыра непрерывно и беспрепятственно поглощала вещество на предельных скоростях.
Цвет и яркость смоделированных объектов полностью совпали с параметрами «маленьких красных точек» на снимках «Джеймса Уэбба». Моделирование показало, что рождение гигантских черных дыр в ранней Вселенной происходило естественным образом из-за высокой плотности газа и мощного излучения первых галактик.
Практическое значение научной работы заключается в том, что астрофизики получили непротиворечивую теоретическую модель для расшифровки самых дальних наблюдений телескопа «Джеймс Уэбб». Понимание того, как развивались эти первичные объекты, позволяет точнее воссоздать этапы формирования первых галактических структур и проследить эволюцию Вселенной на самых ранних стадиях ее существования.