Космический телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил в первобытной Вселенной таинственную группу черных дыр, которые выглядели слишком большими для своих галактик и при этом почти не излучали в рентгеновском спектре.
С момента старта JWST астрономы находят массивные черные дыры в центрах галактик, появившихся в первый миллиард лет после Большого взрыва. Для определения их массы исследователи изучают спектральные линии газа, вращающегося вокруг черной дыры с экстремальными скоростями: чем выше скорость вращения, тем сильнее гравитация и больше масса черной дыры. Этот подход успешно использовался в ближайшей Вселенной, но для древних черных дыр он предлагает странные результаты – они выглядят слишком массивными по сравнению с своими галактиками. Понимать, как черная дыра могла достичь таких размеров за такое короткое время, крайне сложно.
Вторая тайна заключается в отсутствии рентгеновского излучения. Обычно над аккреционным диском черной дыры располагается область исключительно горячей плазмы – так называемая корона, которая генерирует интенсивное излучение в рентгеновском диапазоне. Однако у многих ранних черных дыр это излучение не зафиксировано.
Исследователи под руководством Алессандро Тринки из Римской астрономической обсерватории INAF выдвинули объяснение обеих проблем: влияние сверхэддингтоновской аккреции. Это явление происходит, когда черная дыра поглощает вещество быстрее теоретического предела, при котором ее собственное излучение должно отталкивать падающий газ. Такое интенсивное питание может подавлять рентгеновское излучение черной дыры и искажать эмиссионные линии, применяемые для определения ее массы.
Астрономы разработали модель, объединяющую физику сверхэддингтоновского питания с детализированным спектром аккреционного диска, и исследовали 14 черных дыр, не излучающих рентгеновского света. Выяснилось, что каждый объект можно объяснить двумя способами: либо это гигантская, но практически неактивная черная дыра, которая поглощает вещество очень медленно, либо относительно небольшой объект, поглощающий вещество с экстремальной скоростью.
Статистический анализ показал, что во всех 14 случаях данные значительно лучше соответствуют именно второму варианту – небольшим, но быстро растущим черным дырам. Сценарий с огромными, но медлительными объектами исследователи считают менее правдоподобным с точки зрения физики.
Модель пока не учитывает возможное присутствие плотных облаков газа, которые также могли бы поглощать рентгеновское излучение, поэтому альтернативные версии полностью не исключаются. Однако будущие мультидиапазонные наблюдения и более точные спектры позволят лучше оценить массы и темпы аккреции этих ранних объектов.