Космический рекордсмен: черная дыра из ранней Вселенной нарушает все законы физики

Удивительно прожорливая черная дыра из рассвета Вселенной нарушает два главных правила: она не только превышает «предел скорости» роста черных дыр, но и генерирует экстремальные рентгеновские и радиоволновые излучения — две характеристики, которые, согласно предсказаниям, не должны сосуществовать.

Этот объект — квазар, известный как ID830 — представляет собой чрезвычайно яркую и активную сверхмассивную черную дыру (СМЧД), испускающую мощные джеты излучения из своих полюсов. Он также излучает интенсивное рентгеновское излучение, порождаемое падающим веществом, которое вращается вокруг ее темной пасти со скоростью, близкой к скорости света.

ID830 исключительно массивен. Его масса уже составляла 440 миллионов масс Солнца около 12 миллиардов лет назад, когда возраст Вселенной составлял примерно 15% от нынешнего. Это более чем в 100 раз массивнее Стрельца А*, сверхмассивной черной дыры в центре нашего Млечного Пути.

Как такое нарушающее правила поведение вообще возможно? В статье, опубликованной 21 января в The Astrophysical Journal, международная группа исследователей наблюдала ID830 в нескольких диапазонах длин волн, чтобы найти ответ.

Даже у черных дыр есть пределы

Черные дыры — самые ненасытные пожиратели во Вселенной, но даже у монстров есть предел в кормлении. Когда они притягивают газ и пыль, этот материал накапливается в вращающемся аккреционном диске. Гравитация затягивает вещество из диска в черную дыру, но падающий материал создает давление излучения, направленное наружу, которое препятствует дальнейшему падению вещества. В результате черные дыры сдерживаются саморегулирующимся процессом, называемым пределом Эддингтона.

Тем не менее, черные дыры могут временно обходить этот предел и испытывать быстрые скачки роста при сверхэддингтоновском пределе. Исследователи предлагают несколько механизмов для этого космического обжорства. Например, «вполне возможно, что черная дыра может поглощать вещество быстрее предела Эддингтона в течение короткого периода времени, прежде чем давление излучения накопится и ограничит скорость аккреции», — сообщил Live Science по электронной почте Энтони Тейлор, астроном из Техасского университета в Остине, не участвовавший в исследовании.

Кроме того, черная дыра может поглощать вещество из диска вокруг своего экватора, в то время как внешнее давление излучения выбрасывает материал с полюсов. «В этой ситуации давление излучения не будет напрямую противодействовать притоку вещества, что позволит превысить предел Эддингтона, — добавил Тейлор. — Существует множество геометрий, в которых это могло бы сработать!»

Сверхэддингтоновская механика может помочь согласовать модели роста сверхмассивных черных дыр с расширяющимся каталогом наблюдений ранней Вселенной. Благодаря своей исключительной инфракрасной чувствительности космический телескоп Джеймса Уэбба показал, что сверхмассивные черные дыры росли удивительно быстро и удивительно рано, бросая вызов всем ожиданиям.

Итак, как же сверхмассивные черные дыры стали такими огромными так быстро? Некоторые ученые предполагают, что звезды населения III, первые и самые крупные звезды в космической истории, коллапсировали, породив «зародыши» черных дыр массой 1000 солнечных масс и более.

Но даже этим массивным зародышам потребовалось бы питаться на пределе Эддингтона более 650 миллионов лет, чтобы достичь некоторых из наблюдаемых размеров. Этот подвиг может казаться невыполнимым по ряду причин, включая огромное количество газа, необходимое для поддержания такого длительного пиршества.

Ускорение роста черных дыр

Исследователи вычислили скорость роста ID830, измерив его яркость в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах. Его рентгеновская яркость позволяет предположить, что ID830 аккрецирует массу со скоростью, примерно в 13 раз превышающей предел Эддингтона, из-за внезапного притока газа, который мог произойти, когда ID830 разорвала и поглотила небесное тело, подошедшее слишком близко.

«Для такой массивной сверхмассивной черной дыры, как ID830, для этого потребовалась бы не обычная звезда главной последовательности, а более массивная звезда-гигант или огромное газовое облако», — сообщила Live Science по электронной почте соавтор исследования Сакико Обути, астроном-наблюдатель из Университета Васэда в Токио. Такие сверхэддингтоновские фазы могут быть невероятно короткими, так как «ожидается, что эта переходная фаза продлится примерно 300 лет», — добавила Обути.

ID830 также одновременно демонстрирует радио- и рентгеновское излучение. Эти две особенности не должны сосуществовать, особенно потому, что сверхэддингтоновская аккреция, как считается, подавляет такое излучение. «Эта неожиданная комбинация указывает на физические механизмы, которые еще не полностью учтены в современных моделях экстремальной аккреции и запуска джетов», — заявили исследователи.

Таким образом, в то время как ID830 испускает массивные радиоджеты, его рентгеновское излучение, по-видимому, исходит от структуры, называемой короной, возникающей, когда интенсивные магнитные поля аккреционного диска создают тонкое, но турбулентное облако разогнанных частиц с температурой в миллиард градусов. Эти частицы вращаются вокруг черной дыры почти со скоростью света в том, что NASA называет «одной из самых экстремальных физических сред во Вселенной».

Основа для эволюции ранних галактик

В совокупности нарушающее правила поведение ID830 позволяет предположить, что она находится в редкой переходной фазе чрезмерного потребления — и выделения. Этот невероятный всплеск питания подпитал как ее джеты, так и ее корону, заставляя ID830 ярко сиять в нескольких диапазонах длин волн, извергая избыточное излучение.

Кроме того, на основе анализа ультрафиолетовой яркости, квазары, подобные ID830, могут быть неожиданно распространены, считают исследователи. Модели предсказывают, что только около 10% квазаров обладают впечатляющими радиоджетами, но эти энергичные объекты могут быть значительно более распространены в ранней Вселенной, чем предполагалось ранее.

Самое главное, ID830 также показывает, как сверхмассивные черные дыры могут регулировать рост галактик в ранней Вселенной. Когда черная дыра поглощает вещество со сверхэддингтоновским темпом, энергия от возникающего излучения может нагревать и рассеивать вещество по всей межзвездной среде — газу между звездами — подавляя звездообразование. В результате древние сверхмассивные черные дыры, такие как ID830, могли становиться массивными за счет своих родных галактик.

Новый взгляд на эволюцию космоса

Открытие ID830 заставляет ученых пересмотреть существующие теории. Это не просто аномалия, а, возможно, ключ к пониманию того, как развивалась Вселенная в свои первые миллиарды лет. Если такие сверхбыстрорастущие черные дыры были обычным явлением, это объясняет, почему мы видим так много зрелых галактик в ранней Вселенной: их центральные «двигатели» работали на полную мощность, высвобождая колоссальную энергию.

«Если сверхэддингтоновские черные дыры более распространены, чем мы думали, это, вероятно, означает, что в нашем понимании того, как формировались объекты в ранней Вселенной, все еще есть большие пробелы, — комментирует Брэндон Спектор. — Это открытие добавляется к растущей горе доказательств, полученных с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, которые показывают, что звезды, галактики и черные дыры в древней Вселенной выглядят намного больше и зрелее, чем предсказывает теория».

Дальнейшие наблюдения за ID830 и подобными ему объектами в различных диапазонах электромагнитного спектра помогут астрономам создать более точную модель сосуществования мощных джетов и яркой короны. Это, в свою очередь, позволит уточнить понимание того, как энергия от активных ядер галактик влияет на формирование первых звезд и распределение вещества в межгалактическом пространстве.