Vienas labiausiai gluminančių Džeimso Webbo kosminio teleskopo (James Webb Space Telescope, JWST) ankstyvosios Visatos stebėjimų išvadų yra juodųjų skylių dydis. Remiantis mūsų supratimu apie juodųjų skylių augimą, šios ankstyvosios juodosios skylės yra daug masyvesnės nei tikėtasi. Astronomai tikėjosi netikėtų JWST duomenų, ir tai pasiteisino. Dabar iššūkis – atnaujinti Visatos modelius, kad būtų įtraukti šie nauji stebėjimai.
Šio menininko iliustracija vaizduoja supermasyvią juodąją skylę ankstyvojoje Visatoje. JWST labai ankstyvojoje Visatoje rado galaktikų, kurios buvo itin masyvios. Naujas tyrimas paaiškina šiuos gluminančius radinius. Nuotrauka: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva (Spaceengine)
Naujas tyrimas, kuris bus paskelbtas žurnale „The Astrophysical Journal Letters“, pateikia sprendimą šioms pernelyg masyvioms juodosioms skylėms. Jis pavadintas „Kaip pernelyg masyvios juodosios skylės susiformavo kosminėje aušroje“ ir šiuo metu yra prieinamas „arXiv“ išankstinio spausdinimo serveryje. Pagrindinis autorius yra Muhammadas Latifas iš Jungtinių Arabų Emyratų universiteto Mokslo koledžo Fizikos katedros.
Kai astronomai sako, kad ankstyvosios juodosios skylės yra masyvesnės, nei „turėtų būti“, jie turi omenyje juodosios skylės masės ir galaktikos žvaigždžių masės santykį. Šiuolaikinėje, vietinėje Visatoje, šis santykis yra stebėtinai pastovus. Supermasyvios juodosios skylės paprastai sudaro maždaug 0,1–0,5 % jų galaktikos žvaigždžių masės. (Tai ypač pasakytina apie elipsines ir išsipūtusias galaktikas, bet ne tiek apie disko dominuojamas galaktikas, tokias kaip Paukščių Takas.)
Tačiau Visatoje su dideliu raudonuoju poslinkiu viskas atrodo kitaip. Kai JWST stebėjo galaktikas per pirmuosius 1 ar 2 milijardus Visatos metų, buvo nustatyta, kad supermasyvios juodosios skylės buvo daug masyvesnės, palyginti su jų galaktikomis. Jos dažnai sudarė nuo 10 iki 30 % savo galaktikų masių. Kai kuriais kraštutiniais mažųjų galaktikų atvejais juodųjų skylių masės viršijo visą jų galaktikų žvaigždžių masę.
Mokslininkai šias ankstyvąsias galaktikas su masyviomis juodosiomis skylėmis vadina galaktikomis su pernelyg masyviomis juodosiomis skylėmis. Po pradinio šoko, kurį sukėlė šie radiniai, astrofizikų bendruomenė ėmėsi darbo, bandydama paaiškinti savo atradimus. Ankstesni modeliai rodė, kad supermasyvios juodosios skylės ir jų galaktikos vystėsi ir augo kartu daugiau ar mažiau sinchroniškai. Tačiau dabar šis supratimas atmestas.
Šiame paveikslėlyje parodyti Čandros (rentgeno spindulių) ir JWST (infraraudonųjų spindulių) vaizdai. Tai tik viena iš ankstyvųjų JWST aptiktų galaktikų, turinčių nepaprastai masyvias juodąsias skyles, palyginti su galaktikų žvaigždžių mase. Nuotraukos autoriai: Rentgeno spindulių: NASA/CXC/SAO/Ákos Bogdán; Infraraudonųjų spindulių: NASA/ESA/CSA/STScI; Vaizdų apdorojimas: NASA/CXC/SAO/L. Frattare ir K. Arcand
Šiame naujame tyrime autoriai teigia, kad šių galaktikų centre esančios juodosios skylės yra tiesioginio kolapso juodosios skylės.
Pirmykščiai halai, apie kuriuos jie kalba, yra tamsiosios materijos halai. Šie halai paprastai apibūdinami kaip pagrindas, ant kurių formuojasi galaktikos. Jie yra Visatos gravitacinis pagrindas. Pirmykštės tamsiosios materijos halai yra pirmoji susiformavusi tamsiosios materijos halų karta, pirmosios struktūros, kurios kolapsavo pirminiame Visatos tankio lauke.
Autorių minimos supermasyvios juodosios skylės yra tiesioginio kolapso juodosios skylės. Kaip rodo jų pavadinimas, šios juodosios skylės kolapsuoja tiesiai iš materijos; nėra žvaigždės pirmtako ir nėra žvaigždės kolapso. Teoretikai teigia, kad tokio tipo juodosios skylės galėjo susidaryti tik ankstyvojoje Visatoje, kai sąlygos buvo kitokios. Tiesioginio kolapso juodosios skylės suformavo juodųjų skylių užuomazgas, kurios buvo supermasyvių juodųjų skylių pirmtakai.
Šiame darbe autoriai, norėdami prieiti prie išvadų, naudojo kosmologinius modeliavimus. Jų modeliavimas rodo, kad, skirtingai nei kai kurie kiti šių masyvių juodųjų skylių paaiškinimai, super-Eddingtono akrecija nereikalinga. Iš tiesų, modeliavimas rodo, kad šios juodosios skylės auga tik perpus greičiau nei Eddingtono greitis.
Šios keturios panelės yra momentinės nuotraukos iš tiesioginio kolapso juodosios skylės modeliavimų, atliktų skirtingu laiku ir skiriamąja geba. (a) panelė: 10 kpc tiesioginio kolapso juodosios skylės vaizdas gimimo metu, kai z = 25,7. (b) panelė: 20 kpc pernelyg masyvios juodosios skylės vaizdas, kai z = 11,4, centre juodoji skylė. (c) panelė: 1 kpc tiesioginio kolapso juodosios skylės vaizdas, kai z = 25,7. (d) panelė: 5 kpc pernelyg masyvios juodosios skylės vaizdas, kai z = 11,4. Nuotrauka: Latif ir kt. 2026. ApJL
Vienas iš šio supratimo raktų yra žvaigždžių formavimasis galaktikoje. Autoriai aiškina, kad jų modeliavimas yra pirmasis, kuriame stebima tiesioginio kolapso juodosios skylės ir jos galaktikos bendra evoliucija kelis šimtus milijonų metų. Jie taip pat paaiškina, kad jų simuliacija išsprendžia „žvaigždžių formavimąsi ankstyviausiuose minihaluose“ ir kad ji „rodo, jog šis santykis yra natūralus pradinio žvaigždžių formavimosi slopinimo, kurį sukelia tiesioginio kolapso juodosios skylės, ir vėlesnio, smarkaus sprogimo, kurį sukelia III populiacijos supernovos, rezultatas“.
Yra žinoma, kad juodosios skylės grįžtamasis ryšys slopina žvaigždžių formavimąsi kaitindamas ir išsklaidydamas vėsias, žvaigždes formuojančias dujas. Astrofizikai taip pat žino, kad III populiacijos žvaigždės, pirmoji susiformavusi žvaigždžių karta, buvo masyvios, trumpalaikės ir daugelis jų sprogo kaip nepaprastai galingos supernovos. Šios supernovos kartu su juodosios skylės grįžtamuoju ryšiu slopino žvaigždžių formavimąsi, padėdamos sukurti iškreiptus juodosios skylės ir žvaigždžių masės santykius šiose ankstyvosiose galaktikose.
Ši menininko iliustracija vaizduoja III populiacijos žvaigždę, sprogstančią kaip supernova ankstyvojoje Visatoje. „Pop III“ žvaigždės buvo masyvios ir trumpaamžės, daugelis jų sprogo, taip slopindamos žvaigždžių formavimąsi, dėl ko jų masės santykis buvo iškreiptas. Nuotrauka: NOIRLab/NSF/AURA/J. da Silva/M. Zamani/Spaceengine
Kaip savo modeliavimo tikslumo įrodymą autoriai nurodo porą gerai žinomų ankstyvųjų pernelyg masyvių juodųjų skylių, kurias stebėjo JWST: GHZ9 ir UHZ1. „Mūsų modeliai puikiai atitinka UHZ1 ir GHZ9 spektrus, esant atitinkamai z = 10,1 ir 10,4“, – rašo jie.
„Atsižvelgiant į tai, kad iki šiol rastų pernelyg masyvių juodųjų skylių skaičius atitinka ankstesnius tiesioginio kolapso juodųjų skylių skaičiaus tankio įverčius, mūsų modeliavimas rodo, kad pernelyg masyvios juodosios skylės gali būti natūrali evoliucijos fazė daugumoje tiesioginio kolapso juodųjų skylių galaktikų“, – daro išvadą autoriai.
Muhammad A. Latif et al, How Overmassive Black Holes Formed at Cosmic Dawn, arXiv (2026). DOI: 10.48550/arxiv.2603.28682
Journal information:Astrophysical Journal Letters , arXiv
Pamatyti tai, kas nepastebėta: kaip žvaigždžių spiečiai padeda atkurti galaktikų istoriją
Visata yra holograma: kodėl drąsiausia Stepheno Hawkingo teorija gali būti teisinga
Fizikų tyrimai rodo, kad stygų teorija unikaliai kyla iš pagrindinių prielaidų apie Visatą