JWST показав можливі «важкі зародки» надмасивних чорних дір

Такі чорні діри утворюються двома основними шляхами: коли масивні зорі (приблизно 8–50 сонячних мас) завершують життя як наднові або колапсують прямо в чорну діру, а також під час злиття двох нейтронних зір. Між ними та надмасивними чорними дірами лежить проміжний клас — проміжні чорні діри (IMBH) з масами від приблизно 100 до 100 000 сонячних мас.

Спостережні докази існування IMBH поки що обмежені, але послідовні. Наприклад, аналіз руху групи швидких зір у центрі кульового скупчення Омега Центавра вказує на чорну діру масою близько 8200 сонячних. Інший приклад — гравітаційні хвилі від злиття чорних дір масою 85 і 66 сонячних мас, що утворили об’єкт приблизно у 142 сонячні маси — прямий доказ IMBH.

Далекі «Космічні самоцвіти» та «Іскра світлячка»

Нове дослідження під керівництвом Віоли Боккі (Viola Bocchi) з Римського університету Сапієнца зосереджене на двох дуже далеких, гравітаційно лінзованих галактиках, які JWST бачить такими, якими вони були в перші сотні мільйонів років після Великого вибуху.

Перша — дуга «Cosmic Gems» («Космічні самоцвіти») з червоним зсувом z ≈ 10,2. Світло від неї JWST спостерігає з епохи, коли Всесвіту було близько 460 мільйонів років. У цій галактиці телескоп виявив п’ять дуже щільних зоряних скупчень. «Космічні самоцвіти» вперше знайшов телескоп Габбл у межах огляду RELICS як потужне джерело випромінювання в епоху реіонізації, а JWST у 2024 році уточнив картину та відкрив там п’ять молодих масивних скупчень (Young Massive Clusters, YMC).

Друга галактика — «Firefly Sparkle» («Іскра світлячка») з червоним зсувом z ≈ 8,3, яку JWST бачить на віці приблизно 600 мільйонів років після Великого вибуху. Тут телескоп знайшов уже десять молодих масивних скупчень. Обидві галактики є гравітаційно лінзованими, що підсилює їхнє світло та дозволяє роздивитися дрібні структури.

Усі ці YMC виявилися потужними джерелами іонізуючого випромінювання, але, за моделями авторів, вони також можуть бути природними місцями народження проміжних чорних дір.

Як моделювали народження проміжних чорних дір

Через надзвичайну щільність цих скупчень прямі N-body симуляції для всієї системи виявилися непрактичними. Тому дослідники застосували модель, у якій ключову роль відіграють «втечні» зіткнення зір та втрата маси через зоряні вітри. На основі цих підходів вони оцінили маси можливих IMBH, а потім звірили результати з доступними прямими N-body моделями компактних скупчень.

Молоді масивні скупчення, які бачить JWST, мають маси в діапазоні приблизно від 10⁵ до 10⁷ сонячних мас і радіуси, що містять половину маси (Rh), від ~0,4 до 15 парсеків. За словами авторів, саме такі параметри роблять їх «ідеальними» кандидатами для формування проміжних чорних дір у зіткнювальних моделях.

Розрахунки дають типові маси IMBH у межах від ~10² до ~4 × 10³ сонячних мас, тобто ефективність формування становить кілька відсотків від загальної маси скупчення.

Найважчі «зародки» в дугах Cosmic Gems

Наймасивніші потенційні проміжні чорні діри, за моделями, виникають у скупченнях «Cosmic Gems». Там очікувані маси IMBH становлять приблизно 1600–2700 сонячних мас. Ключовим чинником є надзвичайна компактність: Rh ≈ 1 парсек, тобто половина всієї маси скупчення зосереджена в кулі радіусом лише близько трьох світлових років.

Ще один важливий параметр — дуже низька металічність (Z ≲ 0,02 Z⊙). У таких молодих скупченнях ще не встигло загинути достатньо зір, щоб збагатити газ важчими елементами. Низька металічність послаблює зоряні вітри й обмежує втрату маси, дозволяючи об’єктам, що формуються внаслідок зіткнень, зростати до більших мас.

У «Firefly Sparkle» картина інша. Тамтешні скупчення мають більші радіуси (Rh ≈ 4–6 парсеків) і, як правило, менші загальні маси (10⁵–10⁶ сонячних мас). Це означає менш щільні ядра, де процес «втечних» зіткнень менш ефективний. Для цих скупчень моделі дають чорні діри масою приблизно 1,8 × 10² – 8,1 × 10² сонячних мас, тобто близько 180–810 сонячних мас — нижню межу для IMBH.

«Важкі насінини» для надмасивних чорних дір

Загалом нижня межа мас проміжних чорних дір у цій роботі (~100 сонячних мас) порівнянна з чорними дірами, які могли б утворюватися з надмасивних зір першого покоління (зорі населення III). Але верхня межа суттєво вища, переводячи частину об’єктів у режим так званих «важких насінин».

На думку авторів, формування таких важких зародків особливо корисне для пояснення появи надмасивних чорних дір на великих червоних зсувах, тобто в дуже ранньому Всесвіті. Хоча JWST не спостерігав самі проміжні чорні діри безпосередньо, результати вказують на правдоподібне середовище, де вони могли б виникати й згодом вирости до надмасивних масштабів.

Це також може допомогти пояснити так звані «Little Red Dots» («маленькі червоні крапки»), які JWST бачить як компактні червоні джерела, спектри яких часто трактують як випромінювання від надмасивних чорних дір. Дослідники припускають, що щільні масивні зоряні скупчення могли забезпечити для них початкові масивні «насінини».

Невизначеності та подальші кроки

Автори наголошують, що їхні висновки базуються на моделях і мають низку застережень. Багато властивостей скупчень залишаються невідомими: зокрема, їхнє обертання та внутрішня структура. Це може змінювати результати й зменшувати оцінені маси IMBH.

Не визначена також початкова функція мас зір у цих скупченнях. Якщо вона виявиться «тяжкою до великих мас» (top-heavy) і поєднуватиметься з первинною масовою сегрегацією, це, навпаки, сприятиме формуванню ще масивніших проміжних чорних дір — але цей сценарій у роботі детально не розглядався.

Попри невизначеності, дослідники роблять висновок, що щільні, бідні на метали молоді скупчення, подібні до тих, які JWST бачить у «Cosmic Gems» та «Firefly Sparkle», є реалістичними «фабриками важких насінин», здатних з часом вирости в надмасивні чорні діри, які ми спостерігаємо в ранньому Всесвіті.

JWST показав можливі «важкі зародки» надмасивних чорних дір з’явилася спочатку на Цікавості.

cikavosti.com