Новое исследование, опубликованное на сервере препринтов arXiv, предполагает, что первичные чёрные дыры, возникшие вскоре после Большого взрыва, могли сыграть ключевую роль в формировании первых звёзд Вселенной, так называемых звёзд Популяции III (Pop III). Однако учёные пока не уверены, способствовали ли эти чёрные дыры рождению звёзд, действуя как «космические акушерки», или, наоборот, тормозили этот процесс. Результаты также могут пролить свет на природу тёмной материи, загадочного вещества, составляющего около 85% всей материи во Вселенной.

Первичные чёрные дыры: что это?

Первичные чёрные дыры — гипотетические объекты, которые, предположительно, образовались в ранней Вселенной из-за флуктуаций плотности вещества вскоре после Большого взрыва, примерно 13,8 миллиарда лет назад. В отличие от чёрных дыр звёздной массы, которые формируются при коллапсе массивных звёзд после их смерти в результате сверхновых, первичные чёрные дыры возникали напрямую из сгустков космического вещества. Это означает, что они могли существовать уже на ранних стадиях Вселенной, не завися от жизненного цикла звёзд, и их масса не ограничена пределами, характерными для звёздных чёрных дыр.

«Мы исследовали, как первичные чёрные дыры, возможно, появившиеся в ранней Вселенной, могли повлиять на рождение первых звёзд», — рассказал Стефано Профумо, ведущий автор исследования из Калифорнийского университета в Санта-Крузе, в интервью Space.com. Используя передовые компьютерные симуляции на платформе GIZMO, команда моделировала гидродинамику первичного газа и пыли, чтобы понять, как эти чёрные дыры взаимодействовали с окружающим веществом.

Роль в формировании звёзд: помощники или препятствия?

Результаты исследования показывают, что влияние первичных чёрных дыр на звездообразование зависит от их массы и численности:

  • Массивные чёрные дыры (1000–10 000 солнечных масс): Такие объекты действовали как гравитационные центры, притягивая газ и тёмную материю. Это ускоряло формирование плотных гало тёмной материи, в которых скапливались строительные блоки звёзд и галактик. «В некоторых случаях первичные чёрные дыры могли стать своего рода космическими семенами, способствуя более раннему сгущению вещества», — пояснил Профумо. Это может объяснить, почему некоторые из самых ранних галактик, обнаруженных телескопом Джеймса Уэбба (JWST), сформировались удивительно быстро — возможно, уже через 100–200 миллионов лет после Большого взрыва, а в экстремальных сценариях даже через 15 миллионов лет.
  • Менее массивные чёрные дыры (менее 100 солнечных масс): Если таких объектов было много, их гравитационное воздействие создавало приливные силы, нагревавшие обширные газовые облака. Это препятствовало звездообразованию, так как звёзды формируются из холодных и плотных сгустков газа, которые коллапсируют под собственной гравитацией. Чем больше таких маломассивных чёрных дыр, тем сильнее нагревался газ, замедляя рождение звёзд.

Таким образом, для содействия звездообразованию масса и численность первичных чёрных дыр должны быть «идеальными» — не слишком большими и не слишком малыми, как в сказке о Златовласке.

Связь с тёмной материей

Тёмная материя, составляющая около 85% всей материи во Вселенной, остаётся невидимой, так как не взаимодействует со светом. Она не состоит из обычных частиц, таких как электроны, протоны или нейтроны, что делает первичные чёрные дыры потенциальными кандидатами на роль её компонента. Однако их существование пока не подтверждено наблюдениями, и их свойства остаются гипотетическими.

«Наше исследование показывает, что если первичные чёрные дыры составляют часть или всю тёмную материю, их масса и численность не могут быть произвольными», — отметил Профумо. Слишком массивные или многочисленные чёрные дыры привели бы к слишком раннему звездообразованию, что не соответствует нашим наблюдениям ранней Вселенной. С другой стороны, избыток маломассивных чёрных дыр замедлил бы формирование звёзд, также противореча текущим данным. Это позволяет учёным исключить некоторые сценарии, связанные с первичными чёрными дырами как тёмной материей.

Как проверить гипотезу?

Поскольку первичные чёрные дыры пока остаются гипотетическими, прямых доказательств их существования нет. Однако их влияние на звездообразование можно изучить косвенно через наблюдения «космической зари» — периода примерно 100–200 миллионов лет после Большого взрыва, когда начали формироваться первые звёзды и галактики. Если телескопы, такие как JWST, обнаружат галактики или звёзды, сформировавшиеся раньше, чем предсказывают традиционные модели (например, через 15 миллионов лет после Большого взрыва), это может указывать на роль первичных чёрных дыр в ускорении этого процесса.

Команда Профумо планирует дальнейшие исследования, чтобы улучшить моделирование. «Большинство теорий предполагают, что первичные чёрные дыры имели разные массы, и мы хотим смоделировать это более реалистично», — сказал учёный. Также планируется изучение их влияния не только на звёзды, но и на формирование ранних галактик, а также моделирование больших участков ранней Вселенной.

Итоги

Исследование роли первичных чёрных дыр в формировании первых звёзд открывает новые перспективы для понимания эволюции Вселенной и природы тёмной материи. Эти гипотетические объекты могли либо ускорять звездообразование, действуя как гравитационные центры, либо тормозить его, нагревая газовые облака — всё зависит от их массы и численности. Наблюдения с помощью JWST и будущих инструментов могут предоставить косвенные доказательства их существования, если будут обнаружены аномально ранние галактики. Пока же первичные чёрные дыры остаются загадкой, которая продолжает вдохновлять учёных на поиск ответов о рождении Вселенной и её таинственных компонентах.