Первичные черные дыры: Помощники или разрушители первых звезд Вселенной?

Новое исследование предполагает, что первичные черные дыры, возникшие сразу после Большого взрыва, могли сыграть ключевую роль в формировании первых звезд Вселенной. Эти выводы помогут понять, способны ли такие объекты претендовать на звание загадочной темной материи, составляющей основу космического вещества.

Однако ученые пока не уверены, действовали ли первичные черные дыры как «космические акушерки», доставляя материю к местам рождения звезд, или, напротив, подавляли их формирование.

Роль этих черных дыр в появлении звезд «третьей популяции» (первого поколения светил, чье название часто вводит в заблуждение) зависит от их массы.

«Мы смоделировали, как древние черные дыры могли влиять на рождение первых звезд. Оказалось, что в зависимости от их массы и количества они либо ускоряли, либо замедляли этот процесс», — объяснил Space.com Стефано Профумо, астрофизик из Калифорнийского университета в Санта-Круз (UCSC).

По его словам, в некоторых случаях черные дыры выступали «гравитационными центрами», помогая материи собираться быстрее. В других — их гравитация разрушала газовые облака, препятствуя звездообразованию.

Друзья или враги?

Первичные черные дыры, в отличие от своих «современных» аналогов, образующихся при коллапсе массивных звезд, могли возникнуть из флуктуаций плотности в первые мгновения жизни Вселенной. Это позволяет им иметь гораздо большие массы — от тысяч до миллионов солнечных.

Но так как их существование до сих пор не подтверждено, остается множество вопросов.

«Массивные первичные черные дыры действовали как гравитационные магниты, ускоряя формирование галактик и звезд. Это объясняет, почему телескоп JWST наблюдает столь развитые галактики в ранней Вселенной», — отметил Профумо.

Однако моделирование с использованием гидродинамического пакета GIZMO показало: чтобы стимулировать звездообразование, масса черных дыр должна быть «идеальной» — от 1 000 до 10 000 солнечных. Сверхмассивные объекты вызывали бы слишком быстрое рождение звезд, противоречащее наблюдаемой картине, а менее массивные (до 100 масс Солнца) нагревали газовые облака, подавляя их коллапс.

Связь с темной материей

Темная материя, составляющая 85% вещества Вселенной, остается невидимой. Первичные черные дыры — один из кандидатов на ее роль, но их параметры должны строго соответствовать данным наблюдений.

«Если эти черные дыры составляют темную материю, их масса и количество не могут быть произвольными», — подчеркнул Профумо. Избыток массивных объектов привел бы к слишком раннему звездообразованию, а обилие мелких — к его блокировке.

Будущие исследования

Ученые планируют изучить смешанные сценарии, где первичные черные дыры имеют разную массу, а также смоделировать их влияние на формирование галактик. Подтвердить гипотезу помогут наблюдения за эпохой «космического рассвета» (100–200 млн лет после Большого взрыва) с помощью JWST и новых телескопов.

«Если мы обнаружим звезды, сформировавшиеся уже через 15 млн лет после Большого взрыва, это станет аргументом в пользу первичных черных дыр», — заключил Профумо.

Дальнейшие исследования могут раскрыть и другие аспекты. Например, взаимодействие первичных черных дыр с темной материей нестандартных типов, таких как аксионы или слабовзаимодействующие частицы. Кроме того, их гравитационное излучение, возможно, оставило следы в реликтовом излучении, которые удастся обнаружить с помощью миссий следующего поколения, например, обсерватории LISA.

Ученые также отмечают, что даже если первичные черные дыры не являются основной формой темной материи, их влияние на раннюю Вселенную могло заложить основы для современных галактических структур. Это открывает новое поле для изучения «космической паутины» и распределения вещества в масштабах Вселенной.