Телескоп James Webb постійно ставить перед теорією формування галактик незручні запитання. Одне з найгостріших: як надмасивні чорні діри масою понад мільйон сонячних встигли сформуватися вже за кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху. Настільки швидкий ріст важко пояснити стандартними моделями акреції — процесу, коли речовина поступово падає на чорну діру, формуючи навколо неї диск. Нове дослідження пропонує рішення, яке спирається не на екзотичну фізику, а на те, звідки взагалі береться речовина для росту.

Умова номер один: доставити паливо

Перш ніж говорити про темпи акреції чи ефективність випромінювання, автори роботи звертають увагу на простішу і більш фундаментальну умову. Щоб чорна діра-зародок виросла до спостережуваних мас, до неї спершу має надійти достатньо баріонної речовини — звичайного газу, на відміну від темної матерії, яка не бере участі в акреції безпосередньо. Ця речовина має дістатися дна гравітаційної ями гало темної матерії, де і розташований зародок чорної діри.

Тут можливі два принципово різні сценарії. У першому газ, що падає в гало з космічного середовища, нагрівається ударними хвилями до температури, порівнянної з тепловою енергією самого гало, і лише потім повільно охолоджується й осідає до центру. У другому — газ тече вузькими холодними потоками, оминаючи стадію ударного нагріву, і майже безперешкодно падає до центру за час вільного падіння. Цей другий режим і називають холодною акрецією.

Чому саме холодний режим працює

Автори порівняли, скільки речовини кожен із цих сценаріїв здатен доставити до центру гало за час, доступний для росту ранніх чорних дір. Виявилося, що холодна акреція постачає достатньо матеріалу для досягнення спостережуваних мас. Натомість якщо покладатися на ударно нагрітий газ, необхідну кількість речовини могли б забезпечити лише вкрай рідкісні гало — настільки рідкісні, що така вимога виглядає малоймовірною з точки зору відомого розподілу гало за масою у ранньому Всесвіті.

Далі дослідники зіставили передбачення моделі з конкретними спостережуваними популяціями об'єктів. Рідкісні гало, приблизно одне на кубічний гігапарсек, з холодним припливом газу за масою і чисельністю відповідають найбільш масивним раннім квазарам — активним ядрам галактик з чорними дірами-гігантами. А гало, здатні підтримувати надшвидку, супер-еддінгтонівську акрецію (коли чорна діра поглинає речовину швидше за теоретичну межу стабільного росту) для чорних дір близько 10 мільйонів сонячних мас, за чисельністю збігаються з популяцією Little Red Dots.

Червоні цятки як побічний продукт того самого процесу

Little Red Dots — компактні джерела з характеристиками активних ядер галактик, які JWST виявляє у великій кількості в ранньому Всесвіті. Їхня природа досі остаточно не встановлена. Це дослідження пропонує пояснення: якщо чисельність таких об'єктів визначається кількістю гало, здатних забезпечити надшвидку акрецію через холодні потоки, то і масивні квазари, і Little Red Dots можуть бути різними проявами одного й того самого фізичного процесу — просто в гало різної маси й на різних етапах росту.

Це також дає природне пояснення тому, чому кількість Little Red Dots помітно зменшується на пізніших космічних епохах. За версією авторів, це відображає не зникнення самих об'єктів, а поступове припинення режиму холодної акреції в гало, які продовжують рости і з часом переходять до менш ефективного, ударно-нагрітого режиму живлення.

Якщо ці висновки підтвердяться подальшими спостереженнями, і надмасивні чорні діри, і загадкові червоні цятки виявляться не аномалією, що вимагає нових фізичних механізмів, а закономірним наслідком того, як розподілені за масою гало темної матерії у ранньому Всесвіті та як саме газ у них накопичується.