Астрономи виявили у ранньому Всесвіті гігантську чорну діру, яка поглинає матерію зі швидкістю, що більш ніж удвічі перевищує теоретичну межу. Це сенсаційне відкриття поглиблює давню загадку про те, як деякі чорні діри, народжені незабаром після Великого вибуху, зуміли так швидко й так значно вирости.
Для цього дослідження науковці скористалися Рентгенівською обсерваторією Чандра (Chandra X-ray Observatory) від NASA. Це потужний космічний телескоп, призначений для вивчення Всесвіту в рентгенівському діапазоні, що дозволяє досліджувати високоенергетичні явища, як-от чорні діри та залишки наднових зірок. На жаль, у запропонованому бюджеті NASA на 2026 рік існує ризик припинення його роботи. Саме завдяки «Чандрі» вчені наблизилися до вивчення давньої чорної діри, відомої як RACS J0320-35, що виникла лише через 920 мільйонів років після Великого вибуху.
Стрімке зростання у ранньому Всесвіті
Великий вибух – це загальноприйнята наукова модель, що описує ранній розвиток нашого Всесвіту, його початок як надзвичайно гарячого та щільного стану, що потім почав розширюватися. У ту далеку епоху космічної історії, коли Всесвіту було приблизно одна п’ятнадцята від його нинішнього віку, RACS J0320-35 вже була справжнім велетнем. Її маса сягала приблизно мільярда сонячних мас, і вона продовжувала стрімко зростати.
Новий аналіз рентгенівського, інфрачервоного та оптичного випромінювання, що виходить від цієї чорної діри, показав, що цей надмасивний об’єкт зростає швидше, ніж вважалося теоретично можливим. Швидкість її поглинання матерії у 2,4 раза перевищує межу Еддінгтона. Межа Еддінгтона – це теоретичне обмеження на швидкість, з якою чорна діра може поглинати матерію. Вона встановлюється балансом між гравітаційним притяганням об’єкта та радіаційним тиском, який виникає від випромінювання розігрітої матерії, що падає на нього. Якщо чорна діра перевищує цю межу, радіаційний тиск стає настільки потужним, що відштовхує вхідну матерію, ефективно сповільнюючи її ріст.
«Було дещо шокуюче бачити, як ця чорна діра зростає так стрімко», – зазначив провідний автор дослідження Лука Ігіна з Гарвардсько-Смітсонівського центру астрофізики (Harvard and Smithsonian Center for Astrophysics) у заяві NASA. Ця чорна діра, що порушує правила, не є першим “надеддінгтонівським” об’єктом, виявленим у ранньому Всесвіті. Проте її подальше вивчення може наблизити науковців до розуміння того, чому деякі давні чорні діри, схоже, суперечать найкращим космологічним моделям. Результати дослідження були опубліковані 8 вересня в науковому журналі The Astrophysical Journal Letters.
За межами звичних уявлень
Чорні діри – це надзвичайно щільні космічні об’єкти, що формуються внаслідок колапсу гігантських зірок, створюючи гравітаційні “провалля” у просторі. Вони збільшуються в розмірах, зливаючись з іншими чорними дірами та поглинаючи величезні обсяги матерії, що перетинає їхній горизонт подій – точку, звідки ніщо, навіть світло, не може вирватися.
Коли найбільші чорні діри притягують до себе матерію майже зі швидкістю світла, вони можуть утворювати величезні кільця яскравого світла або вивергати енергію у вигляді гігантських струменів, що пронизують космос. Найяскравіші з цих надзвичайно активних чорних дір називаються квазарами, і їхнє випромінювання може затьмарити цілі галактики.
Саме тому квазари є ідеальними об’єктами для вивчення астрономами – і RACS J0320-35 не стала винятком. Вперше виявлена під час радіотелескопічного огляду, а потім детально вивчена «Чандрою» у 2023 році, яскраве випромінювання цієї чорної діри в усьому електромагнітному спектрі робить її “ідеальною лабораторією” для вивчення росту чорних дір, як зазначили дослідники у своєму звіті.
Вчені спостерігали інтенсивність рентгенівського випромінювання, що вивергалося з чорної діри на різних довжинах хвиль, а потім порівняли ці дані з інфрачервоними та оптичними спостереженнями, щоб оцінити масу та швидкість зростання об’єкта. Вони встановили, що чорна діра повинна поглинати від 300 до 3000 сонячних мас матерії щороку, що ставить її за межу Еддінгтона для чорної діри такого розміру. Як саме чорна діра може перевищувати цю межу, не стаючи нестабільною, залишається загадкою.
Знаючи швидкість зростання та вік чорної діри, дослідники пішли від зворотного, щоб зробити припущення про те, як цей велетень сформувався спочатку. Вони виявили, що, враховуючи її надшвидке зростання, вона могла почати своє життя так само, як і багато типових чорних дір у сучасному Всесвіті – з колапсу великої зірки масою менше ніж 100 сонячних мас.
Це відкриття, разом із даними про інші потенційні над’еддінгтонівські чорні діри, виявлені Космічним телескопом Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope) у ранньому Всесвіті, вказує на те, що швидко зростаючі чорні діри могли бути більш поширеним явищем у давньому космосі, ніж припускають наші моделі. Такі “ненажери”, ймовірно, також частіше випромінюють гігантські енергетичні струмені, як це робить RACS J0320-35, додали дослідники.
Подальші дослідження цієї та подібних чорних дір допоможуть науковцям розгадати таємниці найдавніших чорних дір Всесвіту – а саме, звідки вони взялися і як зуміли так швидко вирости.
«Як Всесвіт створив перше покоління чорних дір? – запитує співавтор дослідження Томас Коннор, також з Гарвардсько-Смітсонівського центру астрофізики. – Це залишається одним з найбільших питань в астрофізиці, і цей об’єкт допомагає нам знайти відповідь».
