«Джеймс Уэбб» найдет черные дыры прямого коллапса по излучению газа

Американские астрофизики численно смоделировали эволюцию черной дыры прямого коллапса, образующуюся при коллапсе массивного газового облака, и показали, что ее излучение в определенные периоды жизни можно зарегистрировать с помощью космического телескопа «Джеймс Уэбб», который должен начнет работать в 2021 году. Статья опубликована в Nature.

Сверхмассивные черные дыры находятся в центре квазаров — самых ярких астрономических объектов в видимой Вселенной. В настоящее время астрономам известны квазары, которые появились менее чем через миллиард лет после Большого взрыва. Черные дыры, находящиеся в центре таких молодых квазаров, должны были появиться очень рано и очень быстро расти, чтобы успеть набрать массу к этому моменту. По современным представлениям, скорость роста черных дыр ограничена их собственным излучением — дыра просто не успевает поглотить всю массу окружающего вещества. В то же время, первые звезды начали появляться только спустя 150–500 миллионов лет после Большого взрыва. Это значит, что черные дыры из молодых квазаров не могли образоваться в результате гравитационного коллапса крупной звезды или слияния двух более мелких звезд.

Это несоответствие между наблюдаемыми данными и теорией заставило астрофизиков разработать альтернативные сценарии, которые позволяют черным дырам образоваться в молодой Вселенной. Один из таких сценарий — это прямой коллапс черной дыры из массивного и горячего газового облака. Предполагается, что масса черных дыр, родившихся в результате такого коллапса, может достигать десятков тысяч масс Солнца.

Астрофизики Кирк Барроу (Kirk Barrow) , Айчин Айкутальп (Aycin Aykutalp) и Джон Уайз (John Wise) рассмотрели один из вариантов образования черной дыры прямого коллапса (direct-collapse black hole, DCBH) и предложили способ, с помощью которого его можно детектировать. Для этого они численно смоделировали с помощью программы Enzo рождение черной дыры из облака атомарного водорода, разогретого до температуры порядка десяти тысяч градусов Кельвина, а также рассмотрели дальнейшую эволюцию гало в течение следующих 45 миллионов лет. Ученые предполагали, что звезды в таком облаке не могут образоваться сами по себе, поскольку практически весь его водород диссоциировал на атомы. Кроме того, астрофизики предполагали, что образование черной дыры происходит всего через 270 миллионов лет после Большого взрыва (красное смещение z ≈ 15).

В рассмотренном учеными сценарии события развивались следующим образом. Первые 1,3 миллиона лет газовое облако постепенно сжималось вокруг места образования будущей черной дыры. После своего рождения черная дыра сразу же начала поглощать вещество, и вокруг нее начал формироваться аккреционный диск. Ионизирующее излучение от этого диска заставило атомы водорода снова соединяться в молекулы H₂, причем скорость образования молекул превышала скорость их разрушения за счет ультрафиолетовых фотонов Лаймана-Вернера, в избытке заполнявших молодую Вселенную. В результате этого поблизости от черной дыры (на расстоянии менее 30 световых лет) начали появляться звезды населения III, практически не содержащие металлических элементов. Всего образовалось около 100 таких звезд с суммарной массой порядка 7000 масс Солнца. Эта фаза длилась чуть больше пяти миллионов лет, после чего топливо звезд начало выгорать, и они стали взрываться во вспышках сверхновых. Это еще больше разогрело газ, окружающий черную дыру (до температуры порядка 10⁵—10⁶ кельвинов), и обогатило его молекулами металлов. После этого началась фаза рекомбинации, в которой газ снова начал охлаждаться и сваливаться в гало, и поведение черной дыры стало разделяться на стандартные периоды высокой и низкой аккреции.

Затем астрофизики рассчитали, как черная дыра будет излучать на протяжении описанного периода времени, и обнаружили, что это излучение имеет ряд особенностей. Например, в «эпоху сверхновых» излучение имело практически непрерывный спектр за исключением линий поглощения водорода и гелия. Кроме того, по сравнению с контрольными источниками спектр излучения газа вокруг черной дыры имел более пологий наклон в области длин волн от 120 до 250 нанометров (инфракрасный свет).

Все эти особенности можно будет ухватить с помощью космического радиотелескопа JSWT (Джеймс Уэбб), который должен быть выведен на орбиту в 2021 году. По оценкам ученых, в среднем на 56 квадратных угловых минут небесной сферы должна приходиться одна черная дыра прямого коллапса с красным смещением z ≈ 15, которая будет видна для телескопа в течение 10 миллионов лет своей жизни. Поскольку JSWT может захватить за один раз площадь размером 2×2 угловых минуты, ему потребуется просканировать порядка 15 участков неба, чтобы увидеть хотя бы одну черную дыру прямого коллапса. В среднем на это потребуется порядка 300 тысяч секунд выдержки, то есть чуть больше трех дней наблюдений.

Авторы статьи отмечают, что рассмотренный ими сценарий может быть не единственным сценарием эволюции черной дыры прямого коллапса. Тем не менее, такой сценарий вполне вероятен, а компьютерная модель имеет довольно высокую точность (пространственное разрешение порядка десяти световых лет). Поэтому ученые надеются, что их работа поможет в скором времени обнаружить черные дыры прямого коллапса.

В июле 2016 итальянские астрономы впервые обнаружили кандидата на черную дыру прямого коллапса, проанализировав спектр излучения галактики CR7. А в марте 2016 года группа LIGO предположила, что зарегистрированные в сентябре 2015 года волны (сигнал GW150914) были излучены при слиянии первичных черных дыр, которые образовались еще раньше, чем черные дыры прямого коллапса (не позже, чем через 100 миллионов лет после Большого взрыва). Подробнее про первичные черные дыры можно прочитать в материале «Иногда полезно думать о чем-то несуществующем».

Дмитрий Трунин