Американські астрофізики чисельно змоделювали еволюцію чорної діри прямого колапсу, що утворюється при колапсі масивної газової хмари, і показали, що її випромінювання в певні періоди життя можна зареєструвати за допомогою космічного телескопа «Джеймс Вебб», який повинен почне працювати в 2021 році. Стаття опублікована в.
Надмасивні чорні діри знаходяться в центрі квазарів - найяскравіших астрономічних об'єктів у видимому Всесвіті. В даний час астрономам відомі квазари, які з'явилися менш ніж через мільярд років після Великого вибуху. Чорні діри, що знаходяться в центрі таких молодих квазарів, повинні були з'явитися дуже рано і дуже швидко рости, щоб встигнути набрати масу до цього моменту. За сучасними уявленнями, швидкість зростання чорних дір обмежена їх власним випромінюванням - діра просто не встигає поглинути всю масу навколишньої речовини. У той же час, перші зірки почали з'являтися тільки через 150-500 мільйонів років після Великого вибуху. Це означає, що чорні діри з молодих квазарів не могли утворитися в результаті гравітаційного колапсу великої зірки або злиття двох більш дрібних зірок.
Ця невідповідність між спостережуваними даними і теорією змусила астрофізиків розробити альтернативні сценарії, які дозволяють чорним дірам утворитися в молодому Всесвіті. Один з таких сценарій - це прямий колапс чорної діри з масивної та гарячої газової хмари. Передбачається, що маса чорних дір, що народилися в результаті такого колапсу, може досягати десятків тисяч мас Сонця.
Астрофізики Кірк Барроу (Kirk Barrow), Айчин Айкутальп (Aycin Aykutalp) і Джон Вайз (John Wise) розглянули один з варіантів утворення чорної діри прямого колапсу (direct-collapse black hole, DCBH) і запропонували його спосіб, за допомогою якого можна з допомогою. Для цього вони чисельно змоделювали за допомогою програми Enzo народження чорної діри з хмари атомарного водню, розігрітого до температури близько десяти тисяч градусів Кельвіна, а також розглянули подальшу еволюцію гало протягом наступних 45 мільйонів років. Вчені припускали, що зірки в такій хмарі не можуть утворитися самі по собі, оскільки практично весь його водень дисоціював на атоми. Крім того, астрофізики припускали, що утворення чорної діри відбувається всього через 270 мільйонів років після Великого вибуху (червоне зміщення z 15).
У розглянутому вченими сценарії події розвивалися наступним чином. Перші 1,3 мільйона років газова хмара поступово стискалася навколо місця утворення майбутньої чорної діри. Після свого народження чорна діра відразу ж почала поглинати речовину, і навколо неї почав формуватися акреційний диск. Іонізуюче випромінювання від цього диска змусило атоми водню знову з'єднуватися в молекули H2, причому швидкість утворення молекул перевищувала швидкість їх руйнування за рахунок ультрафіолетових фотонів Лаймана-Вернера, що в надлишку заповнювали молодий Всесвіт. Внаслідок цього поблизу чорної діри (на відстані менше 30 світлових років) почали з'являтися зірки населення III, які практично не містять металевих елементів. Загалом утворилося близько 100 таких зірок із сумарною масою близько 7000 мас Сонця. Ця фаза тривала трохи більше п'яти мільйонів років, після чого паливо зірок почало вигоряти, і вони стали вибухати у спалахах наднових. Це ще більше розігріло газ, що оточує чорну діру (до температури близько 105 - 106 кельвінів), і збагатило його молекулами металів. Після цього почалася фаза рекомбінації, в якій газ знову почав охолоджуватися і звалюватися в гало, і поведінка чорної діри стала розділятися на стандартні періоди високої і низької аккреції.
Потім астрофізики розрахували, як чорна діра буде випромінювати протягом описаного періоду часу, і виявили, що це випромінювання має ряд особливостей. Наприклад, в «епоху наднових» випромінювання мало практично безперервний спектр за винятком ліній поглинання водню і гелію. Крім того, порівняно з контрольними джерелами спектр випромінювання газу навколо чорної діри мав більш пологий нахил в області довжин хвиль від 120 до 250 нанометрів (інфрачервоне світло).
Всі ці особливості можна буде вхопити за допомогою космічного радіотелескопа JSWT (Джеймс Вебб), який повинен бути виведений на орбіту в 2021 році. За оцінками вчених, в середньому на 56 квадратних кутових хвилин небесної сфери повинна припадати одна чорна діра прямого колапсу з червоним зміщенням z 15, яка буде видна для телескопа протягом 10 мільйонів років свого життя. Оскільки JSWT може захопити за один раз площу розміром 2 ст.12 кутових хвилини, йому потрібно просканувати близько 15 ділянок неба, щоб побачити хоча б одну чорну діру прямого колапсу. У середньому на це потрібно близько 300 тисяч секунд витримки, тобто трохи більше трьох днів спостережень.
Автори статті зазначають, що розглянутий ними сценарій може бути не єдиним сценарієм еволюції чорної діри прямого колапсу. Тим не менш, такий сценарій цілком імовірний, а комп'ютерна модель має досить високу точність (просторову роздільну здатність близько десяти світлових років). Тому вчені сподіваються, що їхня робота допоможе незабаром виявити чорні діри прямого колапсу.
У липні 2016 року італійські астрономи вперше виявили кандидата на чорну діру прямого колапсу, проаналізувавши спектр випромінювання галактики CR7. А в березні 2016 року група LIGO припустила, що зареєстровані у вересні 2015 року хвилі (сигнал GW150914) були випромінені при злитті первинних чорних дір, які утворилися ще раніше, ніж чорні діри прямого колапсу (не пізніше, ніж через 100 мільйонів років після Великого вибуху). Детальніше про первинні чорні діри можна прочитати в матеріалі «Іноді корисно думати про щось неіснуюче».
