Сучасні галактики, включаючи наш Чумацький Шлях, — це складні космічні мегаполіси, які складаються із зір, газу та надмасивних чорних дір у центрі. Вся ця баріонна матерія занурена в невидимий ореол темної матерії. Розгадка того, як ці компоненти сформувалися після Великого вибуху, є головною метою сучасної космології. Одна з найсміливіших теорій припускає, що ключем до цієї таємниці можуть бути первинні чорні діри (ПЧД) — загадкові об’єкти, народжені в перші миті існування Всесвіту. Ця гіпотеза пропонує їм роль не лише складової темної матерії, а й «каталізатора», що прискорив народження перших світил.
Архітектори раннього Всесвіту
Відповідь на запитання, як саме первинні чорні діри могли вплинути на формування перших світил — так званих зір Популяції III, які освітили Всесвіт під час Епохи реіонізації, науковці намагалися знайти за допомогою складних комп’ютерних моделей. Вони створили великомасштабну космологічну симуляцію, яка відстежила еволюцію темної матерії та газу до моменту, коли газ, охолоджуючись і стискаючись, утворював перші зорі. Потім дослідники «збільшили масштаб» обраних регіонів, додавши до моделі первинні чорні діри різних мас та різної кількості.
У симуляції первинні чорні діри мали два головних способи впливу на навколишнє середовище: гравітаційне тяжіння та радіаційний зворотний зв’язок у результаті поглинання матерії. Ці два механізми грали супротивні ролі: гравітація стискала газ, прискорюючи його колапс у зорі, тоді як випромінювання від акреції нагрівало газ, перешкоджаючи його згущенню.
Битва гравітації та випромінювання
Аналіз моделювань виявив чітку залежність між масою чорних дір та часом появи перших зір. Більш масивні первинні чорні, вагою до 10 тис. мас Сонця, призводили до значно більш раннього та швидкого зростання щільності водню — індикатора активного зореутворення. Цей ефект спостерігався незалежно від їхньої чисельності, що вказує на домінування гравітаційного впливу.
Однак для менших ПЧД, які мали вагу близько 10 мас Сонця, картина змінилася. Якщо їхня кількість була високою, вони все ще могли прискорити формування світил. Але зі зменшенням їхньої поширеності радіаційне нагрівання починало переважати. Воно ефективно «підсушувало» газові хмари, відкладаючи або навіть придушуючи народження зір Популяції III.
Нові обмеження для старих загадок
Ця робота пропонує новий інструмент для пошуку первинних чорних дір. Порівнюючи передбачені моделлю терміни формування зір із даними майбутніх спостережень за раннім Всесвітом, вчені зможуть накласти суворі обмеження на масу та поширеність ПЧД. Ці обмеження стануть цінним доповненням до даних від детекторів гравітаційних хвиль і вимірювань реліктового випромінювання.
Отже, дослідження перших зір Всесвіту безпосередньо пов’язане з розгадкою природи темної матерії. Можливо, саме первинні чорні діри, ці невидимі сіячі темряви, дали початок першому світлу.
Раніше ми повідомляли про те, як первинні чорні діри все ж можуть бути складовими темної матерії.
За матеріалами astrobites.org
