Астрофизикам удалось впервые обнаружить кандидата в черные дыры прямого коллапса в ранней Вселенной. Такие черные дыры, по предположениям ученых, образовывались в результате коллапса массивных газовых облаков, а не отдельных звезд. Работа ученых опубликована в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, препринт статьи доступен на ArXiv.
Сверхмассивные черные дыры появились еще в ранней Вселенной. Например, еще несколько лет назад ученые сообщили о существовании черной дыры массой примерно в два миллиарда солнечных масс, которая «родилась» спустя всего 770 миллионов лет после Большого взрыва — то есть еще до окончания эпохи реионизации, когда образовывались первые звезды. Ученые не могут однозначно объяснить, как эти молодые объекты, появившиеся только в период синтеза элементов тяжелее гелия, набрали огромную массу так быстро.
Большая скорость роста этих «невозможных» черных дыр вызывает множество вопросов у ученых, так как, согласно современным законам физики, даже для черной дыры существуют ограничения. Так, физики вычислили, что масса черной дыры, «поглощающей» окружающее ее вещество непрерывно и с максимально возможной скоростью, будет удваиваться каждые 50 миллионов лет. Эта скорость, по оценкам экспертов, слишком мала для того, чтобы черная дыра звездной массы так быстро могла превратиться в сверхмассивную.
Существует несколько сценариев, объясняющих образование таких «гигантов» и один из них подразумевает прямой коллапс. Такая модель предполагает, что черные дыры появились не в результате коллапса первого поколения звезд, а в обход звезд-посредников через прямой коллапс массивных газовых облаков. Такие «зародыши» имели бы изначальные массы от 10 до 100 тысяч масс Солнца, что несколько уменьшает время образования сверхмассивных черных дыр на ранних этапах.
В своей работе ученые проанализировали результаты наблюдений в рамках обзора CANDELS/GOODS-S за галактикой CR7 — наиболее ярким источником излучения в линии водорода Лайман-альфа. Спектральные особенности объекта, находящегося внутри нее, указали на его высокую температуру — около 100 тысяч кельвинов. Этой температуры достаточно для ионизации гелия. Кроме того, ученые не обнаружили спектральных линий, соответствующих элементам тяжелее гелия. Сопоставив характер излучения с удаленностью объекта (z = 6,604) и его предположительной массой (108 масс Солнца), исследователи предположили, что это может быть либо звездное скопление первичных звезд , либо черная дыра прямого коллапса.
Эти данные ученые проанализировали на суперкомпьютере Техасского университета, используя метод радиационной гидродинамики и фотометрию. Результаты вычислений показали, что скорость звездообразования в скоплении звезд должна быть, по мнению исследователей, нереалистично высокой (2000 солнечных масс в год), поэтому они отвергли эту гипотезу.
Таким образом, ученые предполагают, что им удалось обнаружить кандидата в черные дыры прямого коллапса, возникшего в ранней Вселенной. Однако исследователи говорят о том, что для подтверждения этой гипотезы необходимы дополнительные наблюдения.