Телескоп «Джеймс Уэбб» произвел революцию в изучении ранней Вселенной. В частности, он обнаружил множество сверхмассивных черных дыр в центрах галактик, существовавших уже в первые миллиарды лет после Большого взрыва. Проблема в том, что эти черные дыры оказались слишком массивными — их масса не соответствовала массе их галактик-хозяев. Согласно стандартным моделям, черная дыра не может вырасти так быстро за такое короткое время.
Массу черной дыры астрономы оценивают по скорости вращения газа вокруг нее. Чем быстрее вращается газ, тем сильнее гравитация, а значит, тем массивнее черная дыра. Этот метод отлично работает для близлежащих галактик. Но для самых ранних черных дыр он дает завышенные результаты. Кроме того, многие из этих объектов практически не излучают в рентгеновском диапазоне, что тоже странно — обычно вокруг активно питающейся черной дыры есть горячая корона, которая и дает рентген.
Команда под руководством Алессандро Тринка из Римской астрономической обсерватории INAF предложила объяснение, которое решает обе проблемы сразу. Ключевая идея — сверхэддингтоновская аккреция. Это режим, когда черная дыра поглощает вещество быстрее теоретического предела, при котором ее собственное излучение должно отталкивать падающий газ. Сверхбыстрое питание может одновременно подавлять рентгеновское излучение и искажать спектральные линии, по которым астрономы оценивают массу.
Исследователи построили модель, объединяющую физику сверхэддингтоновской аккреции с детальным спектром аккреционного диска, и применили ее к 14 ранее изученным черным дырам, которые были «молчаливы» в рентгене.
Оказалось, что каждый из 14 объектов можно объяснить двумя способами. Они могут быть гигантскими, но почти спящими, гласит первая теория. Такие объекты огромны, но поглощают так мало газа, что почти не светятся. Другой вариант — относительно небольшие, но питающиеся с бешеной скоростью. Эти черные дыры скромных размеров, но поглощают материю в режиме сверхэддингтоновской аккреции.
Статистический анализ показал, что второй сценарий (небольшие, но быстро растущие) значительно лучше объясняет данные для всех 14 объектов. Гигантские, но спящие черные дыры оказались физически маловероятными.
«Второй сценарий, предполагающий системы со сверхэддингтоновской аккрецией, дает спектр, смещенный в красную область, что может более естественно объяснять другие наблюдаемые свойства этих источников», — пишут авторы.
Авторы признают, что их модель не учитывает плотные облака газа, которые могли бы блокировать рентгеновское излучение, и что окончательный ответ потребует дальнейших наблюдений в разных диапазонах. Но если их выводы подтвердятся, это снимет одно из самых больших напряжений в эволюции ранних черных дыр: окажется, что быстрорастущие черные дыры просто «маскируются» под гораздо более массивные. Исследование опубликовано в научном журнале Astronomy & Astrophysics.
Ранее Наука Mail рассказывала о решении парадокса поглощения информации черными дырами.
