Охарактеризован механизм быстрого развития сверхмассивных чёрных дыр

Сотрудники Университета Карнеги — Меллона (США) и Центра астрономии Гейдельбергского университета (Германия) смоделировали быстрый рост сверхмассивных чёрных дыр на ранних этапах эволюции Вселенной.

То, что очень крупные чёрные дыры существовали даже в относительно молодой Вселенной, было установлено при наблюдении удалённых ярких квазаров (активных ядер галактик), находящихся на красном смещении z ~ 6–7. Такие квазары, разумеется, встречаются нечасто, а оценочные массы их чёрных дыр превышают миллиард солнечных.

Если дыры успевают набирать вес к z = 7, их «зародыши» должны формироваться на z > 10. Совсем недавно астрофизики показали, что это условие выполнимо, и перешли к обсуждению вопроса о том, за счёт чего начальная масса «зародыша» — < 10⁵ солнечных — может увеличиться на четыре порядка менее чем за один миллиард лет. Поскольку объединения чёрных дыр редки, единственным реальным вариантом остаётся интенсивная аккреция газа, которую необходимо каким-то образом поддерживать на всём интервале быстрого роста.

Чтобы оценить возможность активной и длительной аккреции, авторы построили гидродинамическую космологическую модель по методу сглаженных частиц. Число последних при вычислениях доходило до 65,5 миллиарда, а длина стороны смоделированной кубической области пространства оказалась равна 533/h Мпк, где h — безразмерный параметр, отражающий неопределённость постоянной Хаббла H и равный H/(100 км/с/Мпк). Масса частиц газа составляла 5,7•10⁷ солнечной, а частиц тёмной материи — 2,8•10⁸ солнечной.

Расчёты проводились на суперкомпьютере Kraken XT5, который находится в ведении американского Национального института вычислительных наук. В ноябрьском рейтинге суперкомпьютеров эта система занимает одиннадцатую строчку.

Результаты моделирования на красном смещении z = 5. В центрах двух увеличенных изображений находится самая массивная из чёрных дыр, образовавшихся в ходе расчётов. (Здесь и ниже иллюстрации из Astrophysical Journal Letters.)

Моделирование стартовало на красном смещении z = 159 и продолжалось до z = 4,75. Обрабатывая его результаты, учёные обнаружили в расчётном объёме сразу десять чёрных дыр, выросших примерно до 10⁹ солнечных масс уже на z ~ 6. Эти объекты подпитывались мощными потоками плотного холодного газа, причём естественный механизм обратной связи (нагрев за счёт выделения энергии квазаром), который, как предполагалось, будет сдерживать аккрецию, не справлялся со своей задачей.

На красном смещении z ≤ 6 ситуация менялась: квазар нарушал движение холодного вещества, аккреция подавлялась, и процесс роста чёрной дыры становился саморегулируемым. Так как этот сценарий развития событий идеально соответствует данным наблюдений, можно заключить, что объединения (прото)галактик в молодой Вселенной действительно нельзя считать обязательным условием эффективного снабжения газом первых сверхмассивных чёрных дыр.

Красным, серым и чёрным обозначены пути развития трёх крупных чёрных дыр. В оранжевую область попадают параметры всех чёрных дыр, масса которых достигла ~10⁹ солнечных на красном смещении z ~ 6.