Нов модел обяснява защо има толкова големи черни дупки в ранната Вселена. И други космoлoгични мистерии

Нова теория предполага, че свръхмасивните черни дупки са се образували от най-първите звезди във Вселената, които са нараснали до огромни размери под влиянието на енергията на анихилация на тъмната материя.

Според модела "Pop III.1" на астрофизика Джонатан Тан (Jonathan Tan) от Университета на Вирджиния тези първични гиганти бързо са йонизирали водород в космоса, избухвайки с първата кратка ярка светлина във Вселената. Това е елегантен модел, който би могъл да помогне за разрешаването на загадъчните противоречия в съвременната космология.

Теорията за Pop III.1: Първите звезди като семена на черни дупки

Теорията за Pop III.1 разглежда една от най-големите загадки в астрофизиката: как свръхмасивните черни дупки, тежащи милиони до милиарди пъти повече от нашето Слънце, са се образували толкова рано в космическата история. Тези масивни обекти се крият в центровете на повечето големи галактики, включително нашия Млечен път, но космическият телескоп "Джеймс Уеб" е открил много от тях, съществували, когато Вселената е била още млада.

За разлика от предишни модели, които се затрудняват да обяснят изобилието от ранни свръхмасивни черни дупки, теорията Pop III.1 предполага, че всички те са произлезли от колапса на звездите от Популация III.1, първото поколение звезди, образували се в ореоли от малки струпвания от смущения в първичната плътност в девствена тъмна материя. Тези първични звезди са коренно различни от съвременните звезди, защото са се образували от газ, съдържащ само водород, хелий и следи от литий.

Художествена интерпретация на първите звезди, образувани в ранната Вселена. Кредит: N R Fuller/National Science Foundation

Ролята на тъмната материя в звездния растеж

Ключовото нововъведение в теорията на Тан се крие в това как частиците тъмна материя са повлияли на звездната еволюция. В гравитационно свързаните структури от Pop III.1,  с приблизително един милион пъти масата на нашето Слънце, процесът на анихилация на тъмната материя е осигурил допълнителна енергия, която е поддържала протозвездите големи и относително хладни. Това е предотвратило типичната обратна връзка за фотоизпаряване, която обикновено ограничава растежа на звездите, позволявайки на тези древни звезди да натрупат маси около 100 000 пъти по-големи от тези на нашето Слънце.

Този механизъм на растеж, подпомаган от тъмната материя, обяснява защо изглежда има характерен минимален мащаб на масата за свръхмасивните черни дупки, като малко черни дупки със средна маса се намират в диапазона от 100 до 10 000 слънчеви маси. Теорията естествено предсказва тази празнина, защото всички звезди от Pop III.1 биха имали сходни крайни маси, определени от барионното съдържание на техните ореоли от тъмна материя.

Първата светлина във Вселената

Може би най-интригуващото предсказание на модела Pop III.1 е "Светкавицата" ("The Flash") – епоха, когато свръхмасивни звезди от Pop III.1 бързо йонизират водороден газ в цялата Вселена с червени отмествания около 20 до 30, което съответства на времето, когато Вселената е била на приблизително 100-200 милиона години. По време на краткия си, но ярък живот от около 10 милиона години, тези масивни звезди са произвели огромни количества йонизиращо лъчение със светимост, достигаща 10^53 фотона в секунда.

Тази ранна фаза на йонизация би създала разширяващи се мехурчета от йонизиран газ, които в крайна сметка са запълнили значителна част от космическия обем, преди звездите да умрат и газът да се рекомбинира обратно в неутрално състояние в рамките на няколко десетки милиона години. Този процес се различава коренно от по-късната, по-постепенна рейонизация, предизвикана от нормалните галактики, която се е случила около червено отместване 8.

Разрешаване на космологичните напрежения

Предсказанието на модела Pop III.1 за предизвикващата ранната ярка светлина йонизация може да помогне за разрешаването на няколко озадачаващи противоречия, възникнали в космологията. Последните измервания от инструмента за спектроскопия на тъмната енергия (DESI) доведоха до неприятно строги ограничения върху сумата от масите на неутриното, потенциално изискващи отрицателни маси на неутриното, което е физически невъзможно.

Когато се комбинират с данните за космическия микровълнов фон на Планк, резултатите от DESI също така намекват за динамична тъмна енергия и засилват "напрежението на Хъбъл" – несъответствието между различните измервания на скоростта на разширяване на Вселената. Приносът на модела Pop III.1 към оптичната дълбочина на космическия микровълнов фон от приблизително 0.04, когато се добави към 0.06 от стандартната галактическа рейонизация, дава общо около 0.10.

Настоящият модел за еволюция на Вселената. Кредит: National Science Foundation

Наблюдаеми последици и бъдещи тестове

Моделът Pop III.1 прави няколко проверими прогнози, които бъдещи наблюдения биха могли да потвърдят или опровергаят. Теорията предсказва, че свободното излъчване от "Първата кратка ярка светлина във Вселената" би трябвало да засили космическия радиофон, което потенциално обяснява неочаквано силния 21-сантиметров абсорбционен сигнал, отчетен от експеримента EDGES.

Бъдещи наблюдения на поляризацията на космическия микровълнов фон, особено с мисии като LiteBIRD и обсерваторията Simons, би трябвало да могат да открият отличителния подпис на тази ранна йонизационна фаза. Моделът също така предвижда специфични модели в 21-сантиметровото излъчване, които бъдещи радиотелескопи като Hydrogen Epoch of Reionization Array (HERA) и Square Kilometer Array биха могли да наблюдават.

"Професор Тан е разработил елегантен модел, който би могъл да обясни двуетапен процес на звездно раждане и йонизация в ранната Вселена. Възможно е първите звезди да са се образували в кратка ярка светлина, след което да са изчезнали – което означава, че това, което сега виждаме с телескопа "Джеймс Уеб", може да е само втората вълна. Изглежда, че Вселената все още крие изненади", коментира Ричард Елис (Richard Ellis), водещ наблюдателен космолог в Университетския колеж в Лондон.

Предизвикателства и алтернативни теории

Въпреки че моделът Pop III.1 предлага елегантно решение на няколко космологични загадки, той е изправен пред конкуренция от алтернативни теории. Някои изследователи предполагат, че първичните черни дупки, образувани директно от флуктуации на плътността само секунди след Големия взрив, биха могли да обяснят ранните свръхмасивни черни дупки. Други предполагат, че директният колапс на масивни газови облаци в атомно охладени ореоли може да обясни някои наблюдения.

Предсказанията на модела за ранната йонизация също са изправени пред ограничения, произтичащи от наблюденията. Настоящите ограничения върху неравномерния кинематичен ефект на Сюняев-Зелдович от наблюденията на космическия микровълнов фон предполагат известно противоречие с високите стойности на оптичната дълбочина, предпочитани от сценария Pop III.1.

Последици за разбирането на космическата еволюция

Ако бъде потвърден, моделът Pop III.1 би променил коренно нашето разбиране за това как Вселената е еволюирала от космическите тъмни векове до сложната структура, която наблюдаваме днес. Вместо единичен, постепенен процес на рейонизация, Вселената може да е преживяла две отделни фази: ранна кратка ярка йонизация от свръхмасивни звезди, последвана от рекомбинация и след това по-бавна рейонизация, предизвикана от нормални галактики.

Този двуфазен процес би могъл да обясни защо космическият телескоп "Джеймс Уеб" е открил толкова много масивни черни дупки в ранната Вселена, като същевременно обяснява очевидната липса на черни дупки със средна маса в локалната Вселена. Теорията предполага, че всички свръхмасивни черни дупки са се образували рано, с червено отместване 20, като "тежки семена", които след това са нараснали чрез акреция до сегашните си маси.

Професор Тан отбелязва, че връзката между ранното образуване на черни дупки и космологичните напрежения за него е неочаквана:

"Това е връзка, която не очаквахме при разработването на модела Pop III.1, но може да се окаже изключително важна."

Дали тази елегантна теория ще издържи на проверката на бъдещи наблюдения, предстои да видим, но тя представлява убедителен опит за обединяване на няколко от най-належащите астрономически загадки в единна, съгласувана рамка.

Справка: Jonathan C. Tan, Flash Ionization of the Early Universe by Pop III.1 Supermassive Stars, arXiv (2025). DOI: 10.48550/arxiv.2506.18490

Източник: New Model Explains Black Hole Origins and Early Cosmic History, University of Virginia

Още по темата

27/08/2024

Космос

Как са успели свръхмасивните черни дупки да станат големи толкова бързо?

23/07/2024

Космос

Частици тъмна материя помагат на свръхмасивните черни дупки да се слеят

24/01/2024

Космос

Открит е източникът на най-ярката светлина, когато свръхмасивните черни дупки изпитват приливно разрушение

02/03/2018

Космос

Светлината на първите звезди показва възможните частици тъмна материя