Моделирование показало новый путь рождения чёрных дыр массой около 100 тысяч Солнц

Первые звёзды во Вселенной могли не только предшествовать появлению массивных чёрных дыр, но и сами создавать условия для их формирования. Новое космологическое моделирование показало механизм, при котором излучение первых звёзд подавляет охлаждение окружающего газа и запускает его масштабный коллапс. В результате могут возникать сверхмассивные звёзды с массами в десятки тысяч масс Солнца — потенциальные предшественники массивных чёрных дыр.

Одна из нерешённых проблем современной астрофизики — происхождение сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной. Наблюдения показывают, что некоторые из них существовали уже тогда, когда космос был сравнительно молод. Обычным чёрным дырам звёздной массы трудно вырасти до миллионов или миллиардов масс Солнца за столь короткое время.

Один из возможных вариантов — образование сразу достаточно массивных «зародышей» чёрных дыр в результате прямого коллапса огромных облаков первичного газа. Однако для этого необходимо не дать газу быстро охладиться, фрагментироваться и превратиться во множество обычных звёзд. В ряде существующих моделей для подавления образования молекулярного водорода H₂ требуется мощное внешнее ультрафиолетовое излучение.

Авторы новой работы обнаружили другой возможный механизм. В проведённых радиационно-гидродинамических симуляциях первые звёзды населения III первоначально формировались внутри первичного гало обычным образом. Но затем их собственное ультрафиолетовое излучение начинало разрушать молекулярный водород в окружающем газе.

Без H₂ газ хуже охлаждался и меньше распадался на отдельные плотные фрагменты. В результате вместо образования большого числа обычных звёзд значительная масса вещества начинала двигаться к центру системы. Таким образом, излучение первых звёзд в модели фактически создавало условия для последующего глобального коллапса.

Расчёты показали скорости аккреции порядка 0,1–1 массы Солнца в год. При таком притоке вещества образовавшиеся протозвёзды за 1–2 миллиона лет достигали масс примерно 20 000–60 000 масс Солнца. Причём на этом этапе рост ещё не прекращался. Исследователи предполагают, что отдельные объекты способны достичь порядка 100 000 масс Солнца, прежде чем дальнейшая эволюция приведёт к образованию массивной чёрной дыры.

Для сравнения, типичная чёрная дыра, возникшая после гибели массивной звезды в современной Вселенной, имеет массу лишь в несколько или несколько десятков масс Солнца. Именно появление гораздо более массивного начального объекта может облегчить объяснение того, как во Вселенной так рано появились сверхмассивные чёрные дыры.

Особенно важным результатом работы стало то, что описанный процесс возникал при сравнительно умеренном внешнем ультрафиолетовом фоне — J21 от 1 до 100. В традиционных сценариях прямого коллапса одним из главных затруднений была необходимость создать достаточно сильное внешнее излучение, которое не позволяло бы молекулярному водороду охлаждать газ. Новая модель показывает, что часть этой работы способны выполнить уже появившиеся внутри самого гало звёзды.

Получается необычная цепочка: сначала газ начинает образовывать первые звёзды, однако их излучение затем меняет условия во всём окружающем облаке и способствует формированию гораздо более массивного объекта. По оценке авторов, космологическая плотность таких систем может составлять примерно 10⁻³–10⁻² на кубический сопутствующий мегапарсек (cMpc³). Исследователи считают, что такой распространённости потенциально достаточно, чтобы этот механизм мог внести заметный вклад в образование массивных чёрных дыр в ранней Вселенной.

Работа не означает, что астрономы непосредственно обнаружили процесс рождения чёрной дыры массой около 100 тысяч Солнц. Речь идёт о результатах космологического радиационно-гидродинамического моделирования. Оно показывает, что такой механизм физически возможен при рассмотренных авторами условиях. Кроме того, объект массой около 100 тысяч Солнц в расчётах — это не уже наблюдаемая готовая чёрная дыра. Сначала формируется чрезвычайно массивная звезда или протозвёздный объект, дальнейшая эволюция которого может привести к появлению массивного зародыша чёрной дыры.

Тем не менее результат предлагает дополнительный путь решения одной из главных проблем ранней космологии: каким образом Вселенная смогла настолько быстро создать достаточно массивные «семена», из которых впоследствии выросли сверхмассивные чёрные дыры в центрах первых галактик.

Исследование опубликованно на arXiv.