Первичные черные дыры: загадочные «семена» сверхмассивных монстров

Сложные космологические симуляции показали, что первичные черные дыры, возникшие в первые мгновения после Большого взрыва, могли стремительно увеличиваться, превращаясь в сверхмассивные черные дыры. Это открытие может решить одну из главных загадок современной астрофизики: как эти гиганты успели вырасти до миллионов и даже миллиардов солнечных масс всего за первые сотни миллионов лет существования Вселенной.

Проблема, усугубленная телескопом «Джеймс Уэбб»

Благодаря JWST ученые обнаружили все больше сверхмассивных черных дыр, существовавших уже через 700 млн лет после Большого взрыва (а некоторые — и раньше). Например, черная дыра CEERS 1019 массой 9 млн солнц существовала всего 570 млн лет после рождения Вселенной.

«Это противоречит нашим моделям, — говорит Джон Риган, исследователь из Университета Мэйнута (Ирландия). — Либо они сразу рождались такими огромными, либо росли невероятно быстро. Но мы не знаем механизмов, которые позволили бы это объяснить».

Первичные черные дыры: загадочные "семена" сверхмассивных монстров — Диаграмма, показывающая огромную разницу в масштабах между сверхмассивными черными дырами и гипотетическими первичными черными дырами (Изображение предоставлено Робертом Ли (создано с помощью Canva)).

Первичные черные дыры — «фору» для гигантов

Обычные (астрофизические) черные дыры образуются:

Звездные (10–100 масс Солнца) — при коллапсе массивных звезд.
Сверхмассивные (от миллиона масс Солнца) — в результате слияний или поглощения материи.

Но первичные черные дыры — гипотетические объекты, которые могли возникнуть в первые секунды после Большого взрыва из-за неоднородностей горячей материи. Их масса варьируется от доли грамма до 100 тыс. солнечных.

Почему они идеальные «кандидаты»?
✔ Могли изначально быть массивнее звездных.
✔ Не зависели от взрывов первых звезд.
✔ Не теряли вещество из-за энергии сверхновых.

Как они превращались в сверхмассивных монстров?

Симуляции показывают:

Первичные дыры поглощали водород и гелий ранней Вселенной.
Мигрировали к центрам галактик, где материи больше.
Росли в десятки раз быстрее, чем астрофизические.

«Достаточно было нескольким «удачливым» дырам попасть в богатые материей регионы», — поясняет Риган.

Как подтвердить теорию?

Пока первичные черные дыры не обнаружены, но их можно искать:
Сверхмассивную дыру в эпоху ранее 500 млн лет — слишком рано для обычного роста.
Черную дыру массой меньше 3 солнц — такие не образуются из звезд.

«Если они существуют, то скрываются в крайностях: либо очень маленькие, либо невероятно древние и массивные», — отмечает ученый.

Что дальше?

Команда планирует усложнить симуляции, добавив одновременно первичные и астрофизические черные дыры, чтобы найти различия. Пока же исследование доступно в препринте на arXiv.