Учёные выяснили что ранние сверхмассивные чёрные дыры могут быть значительно легче

Астрономы пришли к выводу, что необычно массивные чёрные дыры, обнаруженные Космическим телескопом Джеймс Уэбб (JWST) в ранней Вселенной, могут быть значительно менее массивными, чем показывали предыдущие расчёты. Новая работа предлагает объяснение сразу двум давним загадкам: почему эти объекты выглядят слишком тяжёлыми для своего возраста и почему многие из них практически не испускают рентгеновское излучение.

После начала работы телескопа JWST учёные получили возможность наблюдать массивные чёрные дыры в центрах галактик, существовавших уже в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва. Такие объекты удаётся обнаружить благодаря излучению, возникающему при падении вещества на чёрную дыру.

Для определения массы чёрной дыры астрономы обычно анализируют движение газа, вращающегося вокруг неё с огромной скоростью. Эти движения проявляются в спектре в виде характерных линий: чем быстрее вращается газ, тем сильнее гравитация и тем большей считается масса чёрной дыры.

Этот метод десятилетиями успешно применялся для изучения ближайших галактик. Однако при исследовании самых ранних чёрных дыр, открытых JWST, он неожиданно начал давать результаты, плохо согласующиесь с современными представлениями об эволюции Вселенной.

Согласно расчётам, многие молодые чёрные дыры оказались непропорционально массивными по сравнению со своими галактиками. Соотношение между массой чёрной дыры и массой галактики заметно отличалось от того, что наблюдается в современной Вселенной.

Это породило серьёзную проблему, поскольку существующие модели с трудом объясняют, каким образом столь огромные чёрные дыры могли вырасти всего за несколько сотен миллионов лет после рождения Вселенной.

Дополнительной загадкой стало отсутствие у многих таких объектов рентгеновского излучения. Обычно над аккреционным диском чёрной дыры располагается чрезвычайно горячая корона из плазмы, которая и является источником рентгеновских лучей. Однако многие обнаруженные JWST объекты практически не проявляют себя в этом диапазоне.

Международная группа исследователей под руководством Алессандро Тринки из Астрономической обсерватории INAF в Риме предложила объяснение обеим аномалиям. Учёные предположили, что эти чёрные дыры могут находиться в режиме сверхэддингтоновской аккреции.

Так называют ситуацию, когда чёрная дыра поглощает вещество быстрее предельной скорости, определяемой пределом Эддингтона. Согласно классической теории, при достижении этого предела давление собственного излучения должно препятствовать дальнейшему падению газа, однако в некоторых условиях этот предел может быть превышен.

Исследователи построили новую физическую модель, объединив расчёты сверхэддингтоновской аккреции с подробным моделированием спектра аккреционного диска. Затем они повторно проанализировали данные о 14 чёрных дырах, ранее исследованных стандартными методами.

Оказалось, что каждый объект можно объяснить двумя различными сценариями. Первый предполагает существование действительно гигантских чёрных дыр, которые почти не поглощают вещество и поэтому излучают крайне слабо практически во всех диапазонах.

Второй сценарий предполагает, что чёрные дыры значительно легче, однако чрезвычайно быстро поглощают окружающее вещество. Именно такой режим сверхэддингтоновской аккреции естественным образом приводит к ослаблению рентгеновского излучения и одновременно искажает спектральные линии, используемые для оценки массы.

Статистический анализ показал, что почти для всех 14 объектов гораздо лучше подходит именно второй вариант. Иными словами, большинство исследованных чёрных дыр, вероятнее всего, не являются рекордно массивными, а лишь выглядят такими из-за особенностей своего чрезвычайно интенсивного роста.

Авторы также отмечают, что сверхэддингтоновская аккреция должна формировать собственный красноватый спектр излучения, который лучше соответствует наблюдаемым характеристикам этих объектов.

При этом исследователи подчёркивают, что их модель не учитывает возможность существования исключительно плотных облаков газа, способных полностью поглощать рентгеновское излучение. Если такие облака присутствуют, они также могут влиять на результаты наблюдений.

По словам авторов, будущие наблюдения в различных диапазонах электромагнитного спектра, а также более детальные спектроскопические исследования позволят гораздо точнее определить реальные массы этих чёрных дыр и скорость поглощения ими вещества.

Если предложенная модель подтвердится, это поможет снять одно из главных противоречий современной астрофизики. Окажется, что быстро растущие чёрные дыры способны успешно маскироваться под гораздо более массивные объекты, не нарушая существующих представлений об эволюции ранней Вселенной.

Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics.