Тёмная материя как прородитель сверхмассивных чёрных дыр

Автор: Денис Аветисян

Новая модель объясняет формирование первых квазаров во Вселенной, предполагая, что их семена — массивные объекты, образованные из фермионной тёмной материи.

История эволюции квазара J010013.02+280225.8 демонстрирует рост чёрной дыры с <span class="katex-eq" data-katex-display="false">8.0^{+2.6}\_{-2.1}\times 10^{5}\,M\_{\odot}</span> при <span class="katex-eq" data-katex-display="false">z=100</span> до <span class="katex-eq" data-katex-display="false">1.2\times 10^{10}\,M\_{\odot}</span> к <span class="katex-eq" data-katex-display="false">z=6.30</span> в плотной среде (<span class="katex-eq" data-katex-display="false">\rho\_{0}/\rho\_{\mathrm{b}}=78.88^{+32.21}\_{-{23}.49}</span>), сопровождающуюся достижением светимости в <span class="katex-eq" data-katex-display="false">1.6\times 10^{48}</span> эрг/с и переходом от аккреции, ограниченной по Бонди, к аккреции, ограниченной по Эддингтону, при этом вероятность формирования чёрной дыры-зародыша крайне мала при <span class="katex-eq" data-katex-display="false">z>30</span>. — История эволюции квазара J010013.02+280225.8 демонстрирует рост чёрной дыры с $8.0^{+2.6}\_{-2.1}\times 10^{5}\,M\_{\odot}$ при $z=100$ до $1.2\times 10^{10}\,M\_{\odot}$ к $z=6.30$ в плотной среде ( $\rho\_{0}/\rho\_{\mathrm{b}}=78.88^{+32.21}\_{-{23}.49}$ ), сопровождающуюся достижением светимости в $1.6\times 10^{48}$ эрг/с и переходом от аккреции, ограниченной по Бонди, к аккреции, ограниченной по Эддингтону, при этом вероятность формирования чёрной дыры-зародыша крайне мала при $z>30$ .

В работе предложена модель роста сверхмассивных чёрных дыр из семян, образованных из фермионной тёмной материи, для объяснения наблюдаемых высококрасных квазаров и недавно открытых компактных красных источников (LRDs).

Наблюдаемые квазары на высоких красных смещениях, содержащие сверхмассивные черные дыры, представляют собой проблему для существующих моделей роста, предполагающих эволюцию из легких зародышей. В работе ‘Growth of High-Redshift Quasars from Fermion Dark Matter Seeds’ предложена альтернативная модель, в которой рост квазаров обусловлен аккрецией на массивные зародыши черных дыр, образовавшиеся из ядер фермионной темной материи, с начальной массой порядка $10^6\,M_\odot$ . Полученные результаты, основанные на анализе данных о квазарах J0313-1806 и J0100+2802, указывают на необходимость высокой плотности барионной материи на ранних этапах эволюции Вселенной. Может ли эта модель объяснить феномен ‘Little Red Dots’ и пролить свет на формирование сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной?

Семена Гигантов: Ранняя Вселенная и Начальные Условия

Понимание происхождения сверхмассивных чёрных дыр требует рассмотрения их формирования в самые ранние эпохи Вселенной. Исследования показывают, что эти гигантские объекты не могли возникнуть мгновенно, а должны были расти и эволюционировать, начиная с относительно небольших масс. Для этого необходимо проследить историю их роста, начиная с момента, когда плотность материи в определенных областях Вселенной была достаточно высокой, чтобы вызвать гравитационный коллапс. Изучение высококрасных квазаров, наблюдаемых в ранней Вселенной, предоставляет уникальную возможность исследовать условия, способствовавшие формированию и аккреции материи на эти объекты, позволяя ученым реконструировать процессы, которые привели к появлению самых больших чёрных дыр во Вселенной. Подобный подход позволяет установить связь между начальными условиями Вселенной и наблюдаемыми сегодня сверхмассивными чёрными дырами.

Формирование сверхмассивных черных дыр представляет собой серьезную проблему для современных космологических моделей, поскольку существующее время для аккреции материи в ранней Вселенной крайне ограничено. Считается, что для роста черной дыры до массы, наблюдаемой в квазарах на высоких красных смещениях, требуется непрерывный и интенсивный приток вещества. Однако, учитывая короткий период существования Вселенной после Большого Взрыва, аккреция, необходимая для такого быстрого роста, представляется маловероятной при стандартных моделях. Это означает, что для объяснения существования этих гигантов необходимо предположить либо необычайно эффективные механизмы аккреции, превышающие теоретические пределы, либо существование начальных «зародышей» черных дыр, уже обладающих значительной массой на ранних стадиях формирования Вселенной. Исследования направлены на выяснение, насколько реалистичны эти альтернативные сценарии и какие физические процессы могли способствовать быстрому росту сверхмассивных черных дыр в первые миллионы лет после Большого Взрыва.

Начальные флуктуации плотности, описываемые теорией космологических возмущений, играют фундаментальную роль в формировании структуры Вселенной и, в частности, в создании условий для последующего коллапса вещества и образования сверхмассивных черных дыр. Эти незначительные отклонения от средней плотности, возникшие в самые ранние моменты существования Вселенной, служили своего рода «зародышами» для будущих гравитационно-связанных структур. Именно эти флуктуации, усиленные гравитацией, привели к образованию областей повышенной плотности — переплотностей, которые в конечном итоге коллапсировали под действием собственной гравитации, формируя галактики и их центральные сверхмассивные черные дыры. Теория космологических возмущений позволяет предсказывать статистические свойства этих флуктуаций, включая их амплитуду и спектр, что критически важно для понимания наблюдаемого распределения галактик и черных дыр во Вселенной. $δ(x) = δ_0 T(k)$ — типичное выражение, описывающее эти возмущения, где $δ(x)$ представляет относительное отклонение плотности, а $T(k)$ — функция переноса, определяющая эволюцию возмущений с течением времени.

Исследование показывает, что квазары, наблюдаемые на самых больших красных смещениях, могли вырасти из первичных «зародышей» массой около $10^6$ солнечных масс, сформировавшихся уже в эпоху, когда возраст Вселенной составлял всего несколько сотен миллионов лет — при красных смещениях порядка 20-30. Это означает, что сверхмассивные черные дыры, питающие эти самые яркие объекты в ранней Вселенной, не требовали чрезвычайно высокой скорости аккреции или экзотических механизмов формирования. Полученные результаты указывают на то, что достаточно было умеренного, но непрерывного роста из относительно массивных начальных объектов, чтобы объяснить существование квазаров, наблюдаемых в первые миллиарды лет после Большого Взрыва. Данные наблюдения предоставляют важные ограничения для моделей формирования структур и эволюции черных дыр в ранней Вселенной.

Анализ методом Монте-Карло показал, что для эффективного начального роста квазара J010013.02+280225.8 необходимы значительные переизбытки плотности (<span class="katex-eq" data-katex-display="false">\rho/\\rho\\_{\\text{b}}=78.88^{+32.21}\\_{-{23}.49}</span>), при этом более массивное начальное семя чёрной дыры (<span class="katex-eq" data-katex-display="false">log10(M_0/M_\odot)=5.73^{+0.15}_{-0.15}</span>) может расти в менее плотной среде. — Анализ методом Монте-Карло показал, что для эффективного начального роста квазара J010013.02+280225.8 необходимы значительные переизбытки плотности ( $\rho/\\rho\\_{\\text{b}}=78.88^{+32.21}\\_{-{23}.49}$ ), при этом более массивное начальное семя чёрной дыры ( $log10(M_0/M_\odot)=5.73^{+0.15}_{-0.15}$ ) может расти в менее плотной среде.

Пути Аккреции: От Газовых Облаков к Чёрным Дырам

Существует две основные гипотезы формирования затравки для сверхмассивных чёрных дыр (SMBH). Первая предполагает прямой коллапс — образование чёрной дыры без промежуточной фазы звездообразования. Этот механизм требует специфических условий, таких как сильное ультрафиолетовое излучение, подавляющее фрагментацию газовых облаков. Альтернативно, затравки SMBH могут формироваться из массивных звёзд населения III — первых звёзд, образовавшихся во Вселенной. Эти звёзды, состоящие исключительно из водорода и гелия, обладают более высокой массой и меньшей металличностью, что способствует их коллапсу в чёрные дыры, которые затем могут аккрецировать вещество и стать SMBH. Оба сценария являются предметом активных исследований, направленных на определение преобладающего механизма и соответствующих условий для формирования затравки SMBH.

Фоновое излучение Лимана-Вернера играет критическую роль в подавлении звездообразования в определенных областях ранней Вселенной. Это излучение, состоящее из фотонов с энергией выше порога ионизации водорода, эффективно диссоциирует молекулярный водород ( $H_2$ ), который является основным охладителем для гравитационного коллапса газовых облаков. Подавление звездообразования, вызванное диссоциацией $H_2$ , препятствует фрагментации облаков и способствует их монолитческому коллапсу непосредственно в черную дыру, минуя стадию формирования звезд. Регионы, подверженные интенсивному фоновому излучению Лимана-Вернера, таким образом, становятся благоприятными для формирования семенных черных дыр посредством прямого коллапса.

Независимо от механизма формирования начального ядра сверхмассивной черной дыры, для её роста требуется аккреция вещества с высокой скоростью. Предел Эддингтона определяет максимальную скорость, с которой вещество может аккрецировать на черную дыру, поскольку превышение этого предела приводит к преобладанию радиационного давления над гравитационным, что препятствует дальнейшему притоку массы. Этот предел рассчитывается как $L_{Edd} = \frac{4\pi GMm_p c}{\sigma_T}$ , где G — гравитационная постоянная, M — масса черной дыры, $m_p$ — масса протона, c — скорость света, а $\sigma_T$ — сечение Томсона. Таким образом, скорость аккреции, определяемая пределом Эддингтона, является фундаментальным ограничением на темпы роста сверхмассивных черных дыр.

Аккреция Бонди представляет собой дополнительную модель для расчета скорости аккреции вещества на черную дыру, особенно эффективную в средах с низкой плотностью. В отличие от аккреции Эддингтона, которая устанавливает верхний предел скорости аккреции, определяемый давлением излучения, аккреция Бонди основана на гравитационном захвате вещества из окружающего пространства. Скорость аккреции в модели Бонди пропорциональна плотности окружающей среды, массе черной дыры и обратно пропорциональна квадрату скорости звука в среде. Данная модель позволяет более реалистично оценивать рост черных дыр в областях, где плотность газа значительно ниже, чем в плотных дисках аккреции, что особенно важно при моделировании формирования сверхмассивных черных дыр на ранних этапах эволюции Вселенной. $\dot{M} = \frac{4\pi G M^2}{\rho c_s^2}$ , где $\dot{M}$ — скорость аккреции, $G$ — гравитационная постоянная, $M$ — масса черной дыры, ρ — плотность среды, $c_s$ — скорость звука.

Исследование показывает, что рост начальных зародышей чёрных дыр массой 10⁶ $M_{\odot}$ до наблюдаемых размеров к красному смещению z~7 является достижимым. Для этого необходимы высокие темпы аккреции, ограниченные как пределом Эддингтона, определяющим максимальную скорость роста из-за излучения, так и аккрецией Бонди, которая более адекватно описывает приток вещества в условиях низкой плотности окружающей среды. Сочетание этих двух механизмов аккреции позволяет объяснить наблюдаемые массы сверхмассивных чёрных дыр на ранних этапах эволюции Вселенной.

Анализ эволюции квазара J0313-1806 показывает рост массы черной дыры от <span class="katex-eq" data-katex-display="false">9.1^{+4.3}_{-3.6} \times 10^{5} M_{\odot}</span> до <span class="katex-eq" data-katex-display="false">1.6 \times 10^{9} M_{\odot}</span> в плотной среде (<span class="katex-eq" data-katex-display="false">\rho_{0}/\rho_{b} = 77.12^{+47.59}_{-{29}.99}</span>), сопровождающийся достижением светимости <span class="katex-eq" data-katex-display="false">1.4 \times 10^{47} erg/s</span> и переходом от аккреции, ограниченной Бонди, к аккреции, ограниченной Эддингтоном, с вероятностью формирования начального ядра черной дыры, стремящейся к нулю при <span class="katex-eq" data-katex-display="false">z > 30</span>. — Анализ эволюции квазара J0313-1806 показывает рост массы черной дыры от $9.1^{+4.3}_{-3.6} \times 10^{5} M_{\odot}$ до $1.6 \times 10^{9} M_{\odot}$ в плотной среде ( $\rho_{0}/\rho_{b} = 77.12^{+47.59}_{-{29}.99}$ ), сопровождающийся достижением светимости $1.4 \times 10^{47} erg/s$ и переходом от аккреции, ограниченной Бонди, к аккреции, ограниченной Эддингтоном, с вероятностью формирования начального ядра черной дыры, стремящейся к нулю при $z > 30$ .

За пределами Стандартных Моделей: Роль Темной Материи в Формировании Зародышей

Модель RAR (Relativistic Axion-Like Particle) предполагает, что фермионная темная материя, вследствие своей способности к самогравитационному коллапсу, может формировать самосвязанные гало. Этот процесс происходит благодаря гравитационной нестабильности, возникающей в плотных областях темной материи. Образовавшиеся гало могут достигать достаточно высокой плотности для последующего гравитационного коллапса, приводящего к формированию первичных черных дыр — потенциальных зародышей сверхмассивных черных дыр (СМЧД). Ключевым аспектом является то, что данный механизм формирования СМЧД не зависит от барионной аккреции и может происходить на более ранних этапах эволюции Вселенной, обходя ограничения, связанные с доступностью барионного газа.

Стандартные модели формирования сверхмассивных черных дыр (СМЧД) сталкиваются с ограничениями, связанными с аккрецией барионной материи, требующей высокой плотности газа во ранней Вселенной для преодоления расширения и обеспечения достаточной скорости роста. Механизмы, основанные на коллапсе темной материи, предлагают альтернативный путь, обходя эти ограничения. В отличие от барионной аккреции, коллапс фермионной темной материи может происходить независимо от наличия и плотности барионной материи, обеспечивая формирование «зародышей» СМЧД в регионах, где барионная аккреция неэффективна или невозможна. Это позволяет рассматривать сценарии формирования СМЧД, не зависящие от условий в ранней Вселенной, которые необходимы для эффективной барионной аккреции, и потенциально объяснить существование СМЧД на высоких красных смещениях.

Для моделирования динамики гало из темной материи, формирующихся в процессе коллапса фермионной темной материи, требуется использование сложных статистических методов, таких как метод Маркова-Монте-Карло (MCMC). MCMC позволяет эффективно оценивать вероятностные распределения параметров, описывающих эти гало, учитывая многомерность пространства параметров и сложность гравитационных взаимодействий. В частности, MCMC применяется для исследования распределений масс, плотности и температурных профилей гало, что необходимо для точного определения их стабильности и вероятности формирования черных дыр-зародышей. Использование MCMC позволяет преодолеть ограничения, связанные с аналитическим решением уравнений гравитации в таких сложных системах, и получить статистически значимые результаты о характеристиках гало темной материи.

Время Салпетера, определяемое как $t_{Salpeter} \approx \frac{M}{L_{Edd}}$ , где $M$ — масса объекта, а $L_{Edd}$ — светимость Эддингтона, служит эталоном для сопоставления временных рамок формирования начальных черных дыр, вызванных аккрецией темной материи и барионной материи. Данный временной масштаб позволяет оценить, насколько быстро может произойти рост семени черной дыры посредством аккреции, и сравнить эффективность этого процесса для различных сценариев. В частности, если время формирования семени, обусловленное темной материей, оказывается меньше времени Салпетера, это указывает на потенциальную возможность формирования начальных черных дыр до того, как барионная аккреция станет доминирующим фактором. Сопоставление временных характеристик позволяет оценить, может ли коллапс темной материи сформировать семена черных дыр достаточно рано, чтобы объяснить наблюдаемые сверхмассивные черные дыры в ранней Вселенной.

Исследование указывает на то, что формирование первичных зародышей сверхмассивных черных дыр происходило при красном смещении, приблизительно равном 20-30. Этот узкий временной интерьер в ранней Вселенной становится ключевым диапазоном для целенаправленных наблюдательных поисков. Обнаружение и изучение объектов, существовавших на этом этапе, позволит проверить различные теоретические модели формирования начальных черных дыр, от прямого коллапса массивных газовых облаков до аккреции вещества на черные дыры звездной массы. Именно поиск источников излучения, датируемых этим периодом, представляет собой наиболее перспективный путь к пониманию процессов, приведших к формированию гигантских черных дыр в центрах галактик, которые мы наблюдаем сегодня.

Согласно параметрам Planck 2018, эволюция плотности различных космологических компонентов с красным смещением демонстрирует уменьшение вклада радиации и увеличение вклада темной энергии, в то время как плотности барионной материи и общей материи уменьшаются с ростом красного смещения, а плотность темной энергии остается постоянной.

Наблюдательные Пробы: Поиск Первых Зародышей

Квазары, наблюдаемые при очень больших красных смещениях, служат важнейшим инструментом для изучения истории формирования и роста сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной. Их чрезвычайная светимость позволяет астрономам заглянуть на огромные расстояния и исследовать условия, существовавшие вскоре после Большого взрыва. Анализируя спектры и светимость этих квазаров, ученые могут оценивать массы черных дыр, находящихся в их ядрах, и определять скорость их аккреции вещества. Эти данные, в свою очередь, позволяют проверять различные теоретические модели образования «зародышей» сверхмассивных черных дыр — от прямого коллапса газовых облаков до слияния звездных скоплений. Таким образом, высококрасные квазары выступают не просто объектами наблюдения, а ключевыми «свидетелями» эволюции Вселенной и помогают пролить свет на загадку происхождения самых больших объектов в космосе.

Компактные красные источники, известные как ЛРД, представляют собой объекты, которые могут оказаться предшественниками или промежуточными стадиями в процессе формирования сверхмассивных чёрных дыр. Эти источники, характеризующиеся небольшими размерами и красным цветом спектра, предположительно являются скоплениями массивных звёзд или, возможно, даже первоначальными чёрными дырами, которые постепенно аккрецируют вещество и растут. Изучение ЛРД позволяет ученым получить представление о физических условиях и механизмах, которые могли привести к образованию самых первых сверхмассивных чёрных дыр во Вселенной. Поскольку ЛРД представляют собой потенциальные «семена», из которых выросли гигантские чёрные дыры, их идентификация и детальное изучение играют ключевую роль в проверке различных теоретических моделей формирования сверхмассивных чёрных дыр.

Идентификация и детальное изучение компактных красных источников, таких как ЛРД, играет ключевую роль в проверке различных теоретических моделей формирования начальных черных дыр. Различные сценарии предсказывают разные характеристики этих «зародышей» — их массу, светимость и распределение по космологическому времени. Тщательный анализ наблюдаемых свойств этих объектов, включая их спектральные характеристики и эволюцию во времени, позволяет сопоставить их с предсказаниями моделей, отсеивая несостоятельные гипотезы и сужая круг наиболее вероятных сценариев. По сути, эти источники служат своеобразными «капсулами времени», позволяющими заглянуть в далекое прошлое Вселенной и проверить, насколько хорошо мы понимаем процессы, приведшие к формированию колоссальных черных дыр, которые наблюдаются сегодня.

Понимание формирования первых сверхмассивных черных дыр требует комплексного подхода, объединяющего теоретическое моделирование и анализ наблюдательных данных. Теоретические модели предлагают различные сценарии образования «зародышей» черных дыр, от прямого коллапса массивных газовых облаков до слияния звезд в плотных звездных скоплениях. Однако, для проверки этих гипотез необходимы наблюдения, способные выявить и охарактеризовать самые ранние стадии эволюции черных дыр во Вселенной. Комбинируя предсказания моделей с данными, полученными от высокочувствительных телескопов, исследующих квазары и компактные источники излучения на больших красных смещениях, ученые стремятся установить, какие механизмы доминировали в эпоху ранней Вселенной и как «зародыши» черных дыр росли, чтобы стать гигантами, которые мы наблюдаем сегодня. Такой симбиоз теории и практики представляется ключевым для раскрытия тайны происхождения сверхмассивных черных дыр.

Исследование роста квазаров на высоких красных смещениях демонстрирует, как наше понимание Вселенной постоянно пересматривается. Моделирование формирования сверхмассивных черных дыр из семян фермионной темной материи подчеркивает границы применимости существующих физических законов. Как справедливо заметил Никола Тесла: «Самая ценная вещь, которую мы можем получить от науки, — это осознание того, что мы не знаем». Эта фраза особенно актуальна в контексте изучения ранней Вселенной, где обнаруженные недавно LRD (компактные красные источники) требуют переосмысления существующих теорий аккреции и формирования черных дыр. Чёрные дыры, являясь горизонтом событий, отражают не только гравитационные силы, но и границы нашего знания.

Что дальше?

Предложенная модель, связывающая формирование сверхмассивных чёрных дыр с семенами из фермионной тёмной материи, безусловно, предлагает элегантное решение для проблемы существования квазаров на высоких красных смещениях. Однако, как и любая карта, она не отражает всего океана космологической реальности. Остаётся неясным, насколько точно предсказанные свойства этих «семян» согласуются с наблюдаемыми данными о самых ранних галактиках и их окружении. Когда свет изгибается вокруг массивного объекта, это как напоминание о нашей ограниченности — мы видим лишь проекцию, а не суть.

Ключевым направлением будущих исследований представляется уточнение параметров аккреции в ранней Вселенной. Моделирование процессов, происходящих в экстремальных условиях, всегда сопряжено с трудностями. Необходимо учитывать влияние обратной связи от активных галактических ядер, которое может существенно повлиять на рост чёрных дыр и формирование окружающих структур. И, конечно, важно проверить предсказания модели с помощью будущих поколений телескопов, способных регистрировать излучение на самых высоких красных смещениях.

Чёрная дыра — это не просто объект, это зеркало нашей гордости и заблуждений. Изучение её формирования — это не только поиск ответов о ранней Вселенной, но и признание того, что наше понимание всегда будет неполным. Возможно, истина лежит за горизонтом событий, где наши теории растворяются в бесконечности.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.05135.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-02-06 16:29