Сверхмассивные черные дыры могут содержать следы Большого взрыва

Самые большие черные дыры во Вселенной образовались на удивление быстро, когда космосу было меньше миллиарда лет. Это было так рано, что черные дыры, возможно, не образовались в результате смерти массивных звезд, как предполагают некоторые теории, а, возможно, образовались в первую секунду Большого взрыва.

Чтобы проверить эту возможность, группа астрофизиков предложила радикальную идею: элементы вокруг этих гигантских черных дыр могут незначительно отличаться от среднего космического, сохраняя реликтовую память о молодой Вселенной .

Как следует из названия, сверхмассивные черные дыры (СМЧД) огромны. Самые маленькие из них в миллионы раз массивнее Солнца, а самые большие, находящиеся в центрах огромных галактик, достигают сотен миллиардов солнечных масс. Обнаружение таких гигантских черных дыр в современной Вселенной не является большим сюрпризом, поскольку у этих черных дыр были миллиарды лет, чтобы пожирать газ и пыль (и другие черные дыры).

Но недавно астрономы начали обнаруживать сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной. Уже известно более 200 сверхмассивных черных дыр, которые существовали, когда Вселенная была моложе миллиарда лет, и одна сверхмассивная чёрная дыра, которая образовалась, когда Вселенная была моложе 700 миллионов лет.

Это означает, что они быстро сформировались. Слишком быстро. Мы понимаем, как формируются черные дыры в современную эпоху. Когда гигантская звезда умирает, она оставляет после себя черную дыру, в несколько десятков раз превышающую массу Солнца. Эта черная дыра питается окружающим ее материалом, находит другие черные дыры и сливается с ними, и, если ей повезет, в конечном итоге получает статус сверхмассивной.

Проблема в том, что эти процессы требуют времени. Когда Вселенной было меньше миллиарда лет, первые звезды и галактики только начинали формироваться. Генерация сверхмассивных чёрных дыр в сжатые сроки выходит за рамки известных астрофизических процессов.

Так что, возможно, сверхмассивные ЧД во Вселенной возникли не в результате обычных астрофизических процессов, таких как смерть звезд и постоянная газовая диета. Возможно, эти гигантские черные дыры возникли в самые важные моменты Большого взрыва.

Ранняя вселенная была странным местом. Плотность и давление были достаточно высокими, чтобы объединить фундаментальные силы природы в единые поля. В первые несколько секунд было даже слишком жарко, чтобы протоны и нейтроны застыли, прежде чем разорваться на части. В те неспокойные времена, возможно, спонтанно возникли экстремальные контрасты плотности. А там, где есть крайние контрасты плотности - когда большая масса умещается в очень крошечный объем - черные дыры могут образовываться.

Это так называемые первичные черные дыры, которые, возможно, образовались в результате экзотических взаимодействий во время Большого взрыва. Астрономы потратили десятилетия на их поиски, особенно с помощью зондов, таких как космический микроволновый фон, свет, оставшийся с того времени, когда Вселенной было 380000 лет. Все эти поиски оказались пустыми, исключая почти все модели образования первичных черных дыр.

Ключевое слово здесь - “почти“. Один класс первичных черных дыр потенциально разрешен наблюдениями: черные дыры, масса которых примерно в 100000 раз превышает массу Солнца, образовавшихся в течение первой секунды Большого взрыва. Эти черные дыры быстро поглотили бы любую окружающую материю, поедая себя, пока не превратились в сверхмассивные черные дыры, которые мы наблюдаем в молодом космосе.

Но как мы могли отличить астрофизические черные дыры от исконных гигантских черных дыр?

Ответ, предложенный группой астрофизиков в статье, опубликованной на сервере препринтов arXiv , состоит в том, чтобы очень, очень внимательно разглядывать черные дыры.

Уловка в том, что изначальные черные дыры не просто сидели в младенческой вселенной, занимаясь своими делами; они взаимодействовали со своим окружением и влияли на него. Вот как мы можем исключить многие модели, потому что они настолько разрушили бы горячую плазму Большого взрыва, что исказили бы наши наблюдения.

По иронии судьбы первичные черные дыры с массой в 100 000 солнц будут иметь гораздо более тонкий эффект. Их будет недостаточно, чтобы серьезно нарушить физику ранней Вселенной, поэтому они останутся незамеченными. Но через несколько минут после их образования наступит важная эпоха: эпоха нуклеосинтеза, когда первые легкие элементы сформировались из горячего плотного супа Большого взрыва.

Физики прекрасно понимают эту эпоху, потому что она следует той же физике, что и ядерные реакторы и атомные бомбы. Изначальные черные дыры не нарушили бы этот процесс полностью, оставив количество водорода и гелия в целом одинаковым во всем космосе, но они будут влиять на свое окружение. Ядерные процессы будут меняться возле черных дыр из-за их чрезвычайной гравитации, немного изменяя полученное сочетание элементов.

Если бы газ, окружающий эти черные дыры, мог сохранить память о той эпохе, материал, который мы наблюдаем вокруг сверхмассивных черных дыр, имел бы другой состав, чем средний космический. Например, авторы новой статьи обнаружили, что первичные черные дыры могут увеличить количество гелия примерно на 10% и истощить количество лития примерно на 10%.

Авторы признают, что наблюдение этой разницы было бы сложной задачей, но они подчеркивают, что такие инструменты, как космический телескоп Джеймса Уэбба, который скоро будет запущен NASA, могут справиться с этой задачей. Наблюдение за этим элементарным отпечатком пальца может не только раскрыть происхождение самих сверхмассивных черных дыр, но и дать астрономам бесценное окно в самые ранние моменты Большого взрыва.

Напомним, ранее сообщалось, что в центре Млечного пути нашли следы вспышки сверхмассивной черной дыры.

Источник