Астрономы давно пытаются понять, как за относительно короткое время после Большого взрыва сформировались сверхмассивные черные дыры (СМЧД). Наиболее распространенная теория гласит, что черные дыры образуются в местах с наибольшей плотностью материи и медленно увеличиваются в размерах, поглощая окружающее вещество в течение миллиардов лет. Однако современные наблюдения, такие как те, что проводятся с помощью космического телескопа имени Джеймса Уэбба, доказали появление большого количества СМЧД на ранних этапах истории Вселенной, что вызывает вопросы о том, как они могли достичь таких размеров столь быстро.
Теоретический предел роста черной дыры, известный как предел Эддингтона, установлен на основе баланса сил: когда материя попадает в черную дыру, она излучает энергию, и чем быстрее происходит этот процесс, тем больше излучения возникает. В какой-то момент давление излучения может стать настолько сильным, что будет вытеснять материю, препятствуя дальнейшему росту черной дыры. Согласно популярной теории, этот предел определяет максимальную скорость аккреции (поглощения) вещества, которая возможна без создания дополнительных условий. Однако последние наблюдения с помощью телескопа Уэбба предполагают, что некоторые черные дыры могут не просто достигать этого предела, но и превышать его.
Недавно телескоп имени Джеймса Уэбба обнаружил черную дыру, известную как LID-568, которая поглощает материю с интенсивностью, в 40 раз превышающей предел Эддингтона, что дает новое понимание возможных механизмов сверхбыстрого роста черных дыр.
Когда материя притягивается к черной дыре, она образует аккреционный диск – вращающуюся массу газа и пыли, которая со временем нагревается от столкновений частиц. При этом излучается энергия, и, по мере увеличения количества материи, излучение становится более мощным, что приводит к выбросу части материи обратно в пространство. Этот баланс между притягивающей силой черной дыры и давлением излучения создает предел Эддингтона.
Превышение этого предела возможно, если материя попадает в черную дыру напрямую, без долгого вращения в аккреционном диске, но такое случается только при редких конфигурациях окружающих газовых облаков, которые могут сохраняться лишь несколько миллионов лет. Это затрудняет объяснение происхождения сверхмассивных черных дыр, так как они нуждаются в постоянном источнике материи, который обеспечил бы их быстрый рост.
Согласно современным научным гипотезам, черные дыры формируются при взрыве массивных звезд (сверхновых), в результате чего рождаются черные дыры массой в несколько солнечных. Даже при условии существования более массивных звезд в ранней Вселенной и последующих слияний черных дыр, масса «семян» для сверхмассивных черных дыр все же, как правило, составляет около 100 солнечных масс. Существуют гипотезы, предполагающие, что черные дыры могут рождаться через прямой коллапс крупных газовых облаков, минуя стадию звезд, но они пока не подтверждены.
Для достижения сверхмассивных размеров черные дыры должны поглощать огромное количество материи. Однако новые исследования телескопа Уэбба показывают, что ранние черные дыры, как правило, питаются лишь со скоростью 20% от предела Эддингтона, так как их рентгеновское излучение не достигает предельных уровней. Это наводит на мысль, что на ранних этапах они могли потреблять материю значительно быстрее или же изначально обладали крайне высокой массой.
Черная дыра LID-568, впервые замеченная рентгеновским телескопом Чандра, обладает ярким рентгеновским свечением, что указывает на высокую скорость поглощения материи. Исследования с помощью телескопа Уэбба в инфракрасном диапазоне показали, что источник света исходит именно от аккреционного диска, а не от звезд в окружающей галактике.
С помощью спектроскопии удалось установить, что мы видим LID-568 в том состоянии, в каком она существовала спустя 1,5 миллиарда лет после Большого взрыва. Исследователи также установили, что она расположена в карликовой галактике с низким уровнем газа и пыли. Масса черной дыры составляет примерно миллион солнечных масс — немало, но это все же меньше, чем у большинства известных сверхмассивных черных дыр.
Интенсивность излучения этой черной дыры превышает все, что можно было бы ожидать для объектов с аналогичной массой, что предполагает, что LID-568 могла бы излучать столько энергии, только если она питается с интенсивностью, значительно превышающей предел Эддингтона. Оценки исследователей показывают, что она потребляет материю со скоростью, превышающей этот предел в 40 раз.
Эти наблюдения указывают на то, что сверхмассивные черные дыры могли расти гораздо быстрее, чем считалось ранее. Если черные дыры могут на протяжении десятков миллионов лет питаться с интенсивностью, превышающей предел Эддингтона, то трудности с объяснением их стремительного роста в ранней Вселенной становятся менее актуальными.
Тем не менее, остаются вопросы. Объект LID-568 пока кажется уникальным, и если бы таких черных дыр было много, их было бы легче обнаружить. Поэтому исследователи продолжают изучать другие рентгеновские источники, чтобы найти дополнительные примеры.
