Как создать черную дыру из воздуха

В 1939 году физик Дж. Роберт Оппенгеймер и его студент Харлан Снайдер из Калифорнийского университета в Беркли предсказали, что, когда у достаточно массивной звезды заканчивается термоядерное топливо, она коллапсирует внутрь и продолжает коллапсировать вечно, сжимая пространство, время и свет вокруг себя в том, что сегодня называют черной дырой.


Но оказывается, что для создания черной дыры может не потребоваться мертвая звезда. Вместо этого, по крайней мере в ранней Вселенной, гигантские облака первичного газа могли коллапсировать непосредственно в черные дыры, минуя миллионы лет, проведенных в мире звезд.

К такому предварительному выводу недавно пришла группа астрономов, изучающих UHZ-1, пятнышко света, появившееся вскоре после Большого взрыва. Фактически, UHZ-1 является (или был) мощным квазаром, который извергал огонь и рентгеновские лучи из чудовищной черной дыры 13,2 миллиарда лет назад, когда Вселенная была моложе на 500 миллионов лет.

С космической точки зрения это необычно малый срок, для того чтобы столь массивная черная дыра возникла в результате коллапса и слияния звезд. Приямвада Натараджан, астроном из Йельского университета и ведущий автор статьи, опубликованной в Astrophysical Journal Letters утверждает, что в UHZ-1 они обнаружили новый вид космического объекта, который они называют сверхмассивной галактикой черной дыры, или OBG. По сути, OBG — это молодая галактика, удерживаемая черной дырой, которая слишком быстро стала чересчур большой.

Открытие этого рано развившегося квазара может помочь астрономам решить загадку, которая мучила их десятилетиями. Похоже, что почти каждая галактика, видимая в современной Вселенной, содержит в своем центре сверхмассивную черную дыру, в миллионы миллиардов раз массивнее Солнца. Откуда взялись эти монстры? Могли ли обычные черные дыры так быстро вырасти до таких размеров?

Доктор Натараджан и ее коллеги предполагают, что UHZ-1 и, возможно, многие сверхмассивные черные дыры возникли как первичные облака. Эти облака могли сжаться в сверхтяжелые ядра, которые были бы достаточно массивны, чтобы дать толчок росту сверхмассивных галактик с черными дырами. Они являются еще одним напоминанием, что видимая нами Вселенная управляется невидимой геометрией тьмы.


 — Приямвада Натараджан.

Согласно общепринятой теории об эволюции Вселенной, первые звезды конденсировались из облаков водорода и гелия, оставшихся после Большого взрыва. Они горели ярко и быстро, взрываясь и коллапсируя в черные дыры, в 10-100 раз массивнее Солнца.

На протяжении тысячелетий из пепла предыдущих звезд образовывались последовательные поколения звезд, обогащая химию космоса. А черные дыры, оставшиеся после их смерти, продолжали каким-то образом сливаться и расти, образуя сверхмассивные черные дыры в центрах галактик.

Космический телескоп Джеймса Уэбба, запущенный два года назад, был предназначен, в том числе для проверки этой идеи. Он был разработан для регистрации инфракрасных волн света самых далеких и, следовательно, самых ранних звезд во Вселенной.

Но как только телескоп был направлен в космос, он увидел новые галактики, настолько массивные и яркие, что они превзошли ожидания астрономов. Последние пару лет бушуют споры о том, действительно ли эти наблюдения угрожают давней модели космоса. Модель описывает Вселенную как состоящую из следов видимой материи, поразительного количества «темной материи», которая обеспечивает гравитацию, удерживающую галактики вместе, и «темной энергии», раздвигающей эти галактики.

Открытие UHZ-1 представляет собой переломный момент в этих дебатах. Готовясь к будущим наблюдениям массивного скопления галактик в созвездии Скульптора с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, команда доктора Натараджан запросила время в рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра». Масса скопления действует как гравитационная линза, увеличивая объекты, находящиеся далеко позади него в пространстве и времени. Исследователи надеялись увидеть с помощью рентгеновских лучей-то, что может показать линза.

Они обнаружили квазар, питаемый сверхмассивной черной дырой, примерно в 40 миллионов раз массивнее Солнца. Дальнейшие наблюдения телескопом Уэбба подтвердили, что она находится на расстоянии 13,2 миллиарда световых лет от нас. (Скопление Скульптора расположено на расстоянии около 3,5 миллиарда световых лет от нас.) Это был самый далекий и самый ранний квазар, когда-либо обнаруженный во Вселенной.


— Акос Богдан из Центра астрофизики Гарвардского и Смитсоновского института.

Результаты показывают, что сверхмассивные черные дыры существовали уже через 470 миллионов лет после Большого взрыва. Этого времени недостаточно, чтобы позволить черным дырам, созданным первым поколением звезд, начиная с масс от 10 до 100 солнечных, вырасти до таких размеров.

Был ли другой способ создать еще большие черные дыры? В 2017 году доктор Натараджан предположила, что коллапсирующие облака первичного газа могли породить черные дыры, более чем в 10 000 раз массивнее Солнца.

Тот факт, что в начале жизни они были сверхмассивными, означает, что они, вероятно, в конечном итоге разовьются в сверхмассивные черные дыры. Но никто не знает, как это работает.

Это говорит, что сложные эффекты обратной связи с окружающей средой доминируют в росте и эволюции этих галактик и их черных дыр, вызывая увеличение их массы в звездах и газе.