Черные дыры в юной Вселенной росли в десятки раз быстрее — симуляция на ATERUI III

Международная группа астрофизиков под руководством Института Макса Планка смоделировала условия ранней Вселенной на японском суперкомпьютере ATERUI III. Моделирование показало, что загадочные «маленькие красные точки», обнаруженные космическим телескопом «Джеймс Уэбб», представляют собой молодые черные дыры, поглощавшие окружающее вещество в десятки раз быстрее теоретического предела.

Согласно исследованию в журнале Nature, процесс разворачивался менее чем через 600 миллионов лет после Большого взрыва. В плотных областях космоса мощное ультрафиолетовое излучение от соседних формирующихся галактик нагревало газ и разрушало молекулы водорода, не давая газовым облакам остывать. Это предотвратило распад материи на миллионы обычных мелких звезд. Вместо этого внутри облаков формировались компактные группы массивных протозвезд. Они непрерывно притягивали окружающий газ, сливались друг с другом и достигали суммарной массы в сотни тысяч и миллионы масс Солнца. Спустя примерно два миллиона лет эти колоссы напрямую коллапсировали в тяжелые зародыши черных дыр без взрыва сверхновой.

Новорожденные гравитационные объекты оказывались запертыми внутри сверхплотных газовых коконов размером в десятки тысяч астрономических единиц. В таких экстремальных условиях гравитация затягивала вещество внутрь быстрее, чем собственное излучение черной дыры успевало вырваться наружу и оттолкнуть газ. Захваченные фотоны увлекались обратно в воронку. Благодаря этому темпы роста черных дыр в десятки раз превышали стандартный предел Эддингтона, при котором в спокойных условиях давление света останавливает падение материи.

Газовый кокон служил экраном: он блокировал и рассеивал жесткое рентгеновское излучение, переводя его энергию в оптический и инфракрасный диапазоны со специфическим свечением водорода. Именно эту раскаленную газовую оболочку телескоп «Джеймс Уэбб» фиксирует как крошечные красные пятна. По расчетам ученых, фаза сверхбыстрого набора массы длилась менее одного миллиона лет. За этот короткий срок черная дыра успевала разрастись до десятков миллионов солнечных масс, после чего окружающий газ рассеивался, а объект превращался в классический яркий квазар.

Представленная модель базируется на гидродинамических расчетах в приближении отсутствия плазменных струй (джетов) и магнитных ветров, способных снижать темпы аккреции. В будущих симуляциях авторы планируют учесть магнитные поля для проверки устойчивости газового кокона.

Источник: Nature