Сверхбыстрое питание черных дыр ранней Вселенной скрывает их истинную массу

Телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил в ранней Вселенной множество сверхмассивных черных дыр, которые казались слишком тяжелыми для своего возраста. Однако новое исследование предлагает объяснение: эти объекты могут быть значительно скромнее, чем считалось ранее.

Наблюдения «Уэбба» произвели фурор в космологии, показав, что уже в первые миллиарды лет после Большого взрыва в центрах галактик существовали черные дыры с массами, несоизмеримыми с массами самих галактик-хозяев. Согласно стандартным теориям, такая гравитационная махина не может вырасти столь быстро, что породило серьезное противоречие между данными и моделями эволюции.

Оценка массы черной дыры традиционно опирается на скорость вращения окружающего газа: чем быстрее движение, тем сильнее гравитация, а значит, массивнее центральный объект. Для ближайших галактик этот метод работает безупречно, однако для далеких, ранних объектов он, по-видимому, систематически завышает результаты. Дополнительную загадку добавляет почти полное отсутствие рентгеновского излучения от многих таких дыр – обычно активно питающаяся черная дыра окружена горячей короной, дающей мощный рентгеновский сигнал.

Команда астрономов под руководством Алессандро Тринка из Римской обсерватории INAF предложила изящное решение, которое объясняет обе аномалии одновременно. Ключевая идея – сверхэддингтоновская аккреция, режим, при котором черная дыра поглощает вещество быстрее теоретического предела Эддингтона, когда собственное излучение должно отталкивать падающий газ. Такое сверхбыстрое питание способно не только подавлять рентгеновское излучение, но и искажать спектральные линии, по которым астрономы судят о массе.

Исследователи построили комплексную модель, объединяющую физику сверхэддингтоновской аккреции с детальным спектром аккреционного диска, и применили ее к 14 ранее изученным черным дырам, которые были «молчаливы» в рентгеновском диапазоне. Анализ показал, что каждый из этих объектов может быть описан одним из двух сценариев: либо это гигантские, но почти «спящие» дыры, поглощающие крайне мало газа, либо это относительно небольшие объекты, но питающиеся с огромной скоростью.

Статистическое сравнение двух вариантов дало однозначный результат: второй сценарий – небольшие, но быстрорастущие черные дыры – значительно лучше согласуется с данными для всех 14 источников. Гигантские, но малоподвижные черные дыры оказались физически маловероятными, и модель предсказывает для них спектр, который не соответствует наблюдениям.

«Второй сценарий, предполагающий системы со сверхэддингтоновской аккрецией, дает спектр, смещенный в красную область, что может более естественно объяснять другие наблюдаемые свойства этих источников», – отмечают авторы в своей публикации. Это означает, что истинные массы черных дыр могут быть на порядки меньше, чем считалось, и их рост идет не за счет чудовищной начальной массы, а за счет исключительно эффективного поглощения вещества.

Авторы признают, что их модель не учитывает возможное влияние плотных газовых облаков, которые могли бы блокировать рентген, и что окончательное подтверждение потребует дополнительных наблюдений в разных диапазонах. Однако если выводы подтвердятся, то одно из самых острых противоречий в эволюции ранней Вселенной будет снято: черные дыры просто «маскируются» под гораздо более массивные объекты, а их истинный рост происходит гораздо быстрее, чем предсказывают старые модели. Исследование опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics.