Симуляції пояснили появу надмасивних чорних дір у ранньому Всесвіті

Космологічні симуляції показали, що важкі зародки чорних дір можуть природно утворюватися у щільних протоскопиченнях галактик раннього Всесвіту та швидко виростати до надмасивних. Як повідомляє Nature, модель також відтворює властивості компактних червоних об’єктів, які телескоп James Webb спостерігав за червоних зміщень 4–6 і які називають little red dots.

У моделюванні сильне далеке ультрафіолетове випромінювання від сусідніх галактик придушує раннє зореутворення в гало. Через це там накопичується великий запас газу. Після колапсу він живить протозорі, що за приблизно 2 млн років набирають масу від 500 до 900 тисяч мас Сонця, а згодом колапсують у чорні діри.

Швидке зростання важких зародків

Дослідники змоделювали гало, розташоване приблизно за 10 кілопарсеків від яскравої сусідньої галактики — джерела інтенсивного ультрафіолетового потоку. Виявилося, що в одному щільному середовищі може сформуватися кілька важких зародків чорних дір. Їхня початкова маса становить близько 10⁶ мас Сонця, що перевищує типовий показник приблизно 10⁵ мас Сонця у стандартних моделях прямого колапсу.

Після утворення такі чорні діри короткий час поглинають речовину зі швидкістю, що в кілька або навіть десятки разів перевищує едінгтонівську межу. Ця фаза триває менш як мільйон років: щільна непрозора оболонка навколо чорної діри затримує випромінювання, а газ із навколодискового середовища підтримує акрецію. Невдовзі після формування їхня маса сягає кількох мільйонів мас Сонця, а до червоного зміщення близько 10 — понад 10⁷ мас Сонця.

Зв’язок із компактними червоними джерелами

До червоного зміщення близько 8 змодельовані чорні діри опиняються в центральному кілопарсеку галактики зі зоряною масою приблизно 10⁹ мас Сонця. Відношення маси чорної діри до зоряної маси галактики тоді становить близько 1%, тобто приблизно на порядок вище за локальне співвідношення. Саме такі надмасивні чорні діри пов’язують із little red dots, для яких оцінені маси чорних дір також перевищують локальні залежності.

Окрема симуляція середовища навколо одного з важких зародків показала формування щільного товстого диска. За густини газу понад 10⁸ частинок водню на кубічний сантиметр він може створювати бальмерівське поглинання та розширювати лінію Hα через томсонівське розсіювання. На ранній стадії модель дала світність Hα на рівні 1,5 × 10⁴³ ерг за секунду, зіставну з оцінками для little red dots. Автори зазначають, що система здатна перейти від сильно прихованої фази, подібної до little red dots, до менш затемненого стану активного галактичного ядра за 0,1–1 млн років.

Порівняння з легкими зародками

Для порівняння модель простежила еволюцію чорної діри, що виникла з залишку зорі Population III з початковою масою близько 800 мас Сонця. Її зростання виявилося неефективним: випромінювання зорі-попередниці пригнічувало запас газу, а неглибокий гравітаційний потенціал гало не міг утримати паливо для тривалої акреції. За висновком роботи, саме утворення важких зародків дає змогу пояснити появу надмасивних чорних дір уже на ранніх етапах еволюції Всесвіту.