Компьютерное моделирование, проведенное астрофизиками в университете Тохоку в Японии, выявило новую теорию происхождения сверхмассивных черных дыр. В этой теории предшественники сверхмассивных черных дыр растут, поглощая не только межзвездный газ, но и звезды меньшего размера. Это помогает объяснить большое количество сверхмассивных черных дыр, наблюдаемых сегодня.

Почти каждая галактика в современной Вселенной имеет сверхмассивную черную дыру в центре. Их массы иногда могут достигать 10 миллиардов масс Солнца. Однако их происхождение до сих пор остается одной из великих загадок астрономии. Популярной теорией является модель коллапса, где изначальные облака из межзвездного газа коллапсируют под действием самогравитации, образуя сверхмассивные звезды, которые затем превращаются в сверхмассивные черные дыры. Но предыдущие исследования показали, что прямой коллапс работает только с первичным газом, состоящим только из водорода и гелия. Более тяжелые элементы, такие как углерод и кислород, изменяют газовую динамику, в результате чего коллапсирующий газ распадается на множество меньших облаков, которые образуют собственные маленькие звезды, а не несколько сверхмассивных звезд. Прямой коллапс от первозданного газа сам по себе не может объяснить большое количество сверхмассивных черных дыр, наблюдаемых сегодня.

Сунмён Чон, научный сотрудник Японского общества содействия развитию науки и Университета Тохоку, и его команда использовали суперкомпьютер Национальной астрономической обсерватории Японии «ATERUI II» для выполнения длинных трехмерных симуляций высокого разрешения для проверки возможности того, что сверхмассивные звезды могут образовываться даже в обогащенном тяжелыми элементами газе. Звездообразование в газовых облаках, содержащих тяжелые элементы, было трудно смоделировать из-за вычислительных затрат на моделирование расщепления газа, но прогресс в вычислительных мощностях, в частности высокая скорость «ATERUI II», введенного в эксплуатацию в 2018 году, позволила команде преодолеть эту проблему. Новые симуляции позволяют более детально изучить образование звезд из газовых облаков.

Вопреки предыдущим прогнозам, исследовательская группа обнаружила, что сверхмассивные звезды все еще могут образовываться из газовых облаков, обогащенных тяжелыми элементами. Как и ожидалось, газовое облако резко распадается и образуется множество более мелких звезд. Тем не менее, существует сильный поток газа к центру облака; меньшие звезды тянутся за этим потоком и поглощаются массивными звездами в центре. Моделирование привело к образованию массивной звезды в 10000 раз более массивной, чем Солнце. «Это первый случай, когда мы показали образование такого большого предшественника черной дыры в облаках, обогащенных тяжелыми элементами. Мы верим, что образованная таким образом гигантская звезда будет продолжать расти и превращаться в гигантскую черную дыру», — говорит Чон.

Эта новая модель показывает, что не только первичный газ, но и газ, содержащий тяжелые элементы, может образовывать гигантские звезды, которые являются семенами черных дыр. «Наша новая модель способна объяснить происхождение большего количества черных дыр, чем предыдущие исследования, и этот результат приводит к единому пониманию происхождения сверхмассивных черных дыр», — говорит Казуюки Омукай, профессор Университета Тохоку.