Стали ли первичные черные дыры проводниками первых звезд во Вселенной?

Наиболее общепринятая на сегодняшний день космологическая модель заключается в том, что Вселенная образовалась примерно 13,8 миллиарда лет назад в результате гигантского выброса энергии, называемого Большим взрывом. Согласно этой теории, точка бесконечной плотности и температуры изначально создала время, пространство и материю посредством внезапного расширения. В первые несколько секунд образовались фундаментальные частицы — протоны, нейтроны и электроны. В течение последующих сотен тысяч лет эти частицы объединились, образовав простые атомы, такие как водород и гелий.

Однако рождение звёзд и галактик произошло гораздо позже. Процессы, приведшие к их зарождению, всё ещё остаются предметом исследований. В частности, в последние годы значительное внимание привлекает роль в этой эволюции первичных чёрных дыр, предположительно образовавшихся вскоре после Большого взрыва. Как отмечается в отчёте на Space.com, некоторые астрофизики изучают возможность влияния первичных чёрных дыр на скорость звездообразования. Эти чёрные дыры не только объясняют природу тёмной материи, но и, возможно, способствовали появлению первых источников света во Вселенной.

• Первичные черные дыры: темная материя и звезды

Семена? Первичные чёрные дыры (ПЧД), в отличие от типичных чёрных дыр, образующихся при коллапсе звёзд, представляют собой небесные объекты, которые, как считается, образовались в результате флуктуаций плотности в очень ранней Вселенной — даже в первые секунды — ещё до появления звёзд. Работа Карра и Хокинга 1974 года стала новаторской в этом отношении: «[...] некоторые локальные флуктуации плотности материи в ранней Вселенной могли вызвать локальные коллапсы, приведшие к образованию чёрных дыр в очень короткие сроки» (Карр и Хокинг, 1974).

Эти чёрные дыры могут функционировать как «гравитационные семена», притягивавшие материю в ранней Вселенной. Как утверждается в исследовании Гарсиа-Беллидо и др. (2021), первичные чёрные дыры не только являются кандидатами на тёмную материю, но и могут быть связаны с барионной асимметрией, дисбалансом материи и антиматерии во Вселенной: «Первичные чёрные дыры могут представлять собой общий источник тёмной материи и плотности барионов». Эта точка зрения получила дальнейшее развитие в «Справочнике по гравитационно-волновой астрономии» Гарсиа-Беллидо 2022 года, где было высказано предположение, что первичные чёрные дыры также могут быть источником гравитационных волн.

Согласно анализу Долгова и Блинникова (2014), эти чёрные дыры могли также служить гравитационными центрами, способствовавшими образованию первых звёзд. В этой модели чёрные дыры притягивали окружающий газ, тем самым инициируя образование первых звёздных скоплений. В комплексном исследовании Карра и Грина, проведённом в 2025 году, подчёркивается, что чёрные дыры с различными диапазонами масс могут оказывать очень широкое космологическое влияние, распространяющееся не только на звездообразование, но и на образование галактик и даже сверхмассивных чёрных дыр.

• Рождение первых звезд, сияющих Огней Космической зари:

До первых нескольких сотен миллионов лет существования Вселенной звёзд не существовало — этот период известен как «Тёмные века». В конце концов, облака газа, сжатые под действием гравитации, образовали первые звёзды. Эти звёзды называются звёздами населения III. Йошида (2019) утверждает, что эти звёзды были очень горячими, очень массивными и короткоживущими:

«Первые звезды могут иметь массу в несколько сотен раз больше массы Солнца, а продолжительность их жизни ограничена всего несколькими миллионами лет» (Ёсида, 2019).

Однако то, как эти звёзды смогли сформироваться так быстро, долгое время оставалось загадкой. Волонтери и Белловари (2012) рассматривают этот вопрос следующим образом:

«Первичные чёрные дыры, возможно, способствовали накоплению газа в центре, способствуя быстрому образованию плотных, горячих областей звездообразования».

Работа Смита и Бромма (2019) подтверждает эту идею: для образования массивных звёзд, а следовательно, и сверхмассивных чёрных дыр, может быть необходимым наличие предсуществующего «центра тяжести». Первичные чёрные дыры, возможно, играли эту роль. Аналогичным образом, Мелиа и МакКлинток (2015) предполагают, что сверхмассивные чёрные дыры, наблюдаемые в ранней Вселенной, могли образоваться до появления звёзд, и что эти структуры могли быть зарождены звёздными протонами.

Эти исследования показывают, что ранняя Вселенная формировалась не случайным образом, а, скорее, под влиянием определённой динамики. Первичные чёрные дыры, возможно, не только сформировали первую тёмную материю Вселенной, но и сыграли важную роль в появлении первых источников света, а именно звёзд. Однако работа Газтанаги (2022) обращает этот процесс вспять и предлагает гипотезу о том, что сама Вселенная может вести себя как сверхмассивная чёрная дыра, тем самым устанавливая более глубокие связи между Большим взрывом и физикой чёрных дыр.

Как подчёркивает Гоу (2021) в своей докторской диссертации, если эта гипотеза верна, существование первичных чёрных дыр может потребовать переписывания истории Вселенной. В этом случае мы можем пойти по стопам чёрных дыр, которые «организовали тьму» задолго до того, как дали свет звёздам.

В конечном счёте, теоретические и наблюдательные исследования первичных чёрных дыр могут помочь нам понять не только природу этих загадочных объектов, но и то, как образовались первые звёзды и галактики во Вселенной. Исследования с помощью современных обсерваторий и космических телескопов следующего поколения продолжат обнаруживать следы этих чёрных дыр и проверять эти гипотезы.

***

Ресурсы

Карр Б.Дж., Хокинг С.В. (1974). Mon Not R Astron Soc, 168(2), 399–415.

Долгов АД, Блинников СИ. (2014). Phys Rev D, 89(2), 021301.

Ёсида Н. (2019). Proc Jpn Acad Ser B, 95 (1), 17–28.

Волонтери М., Белловари Дж. (2012). Rep Prog Phys, 75(12), 124901.

Смит А., Бромм В. (2019). Созерцание физ.

Мелия Ф, МакКлинток ТМ. (2015). Proc R Soc A, 471(2184), 20150449. Газтанага Э. (2022). Вселенная, 8(5), 257.

Карр Б.Дж., Грин А.М. (2025). В книге «Первичные чёрные дыры». SpringerNature.

Гоу А. (2021). Кандидатская диссертация, Университет Сассекса.

Гарсиа-Беллидо Х., Карр Б., Клессе С. (2021). Вселенная, 8(1), 12.

Гарсия-Беллидо Х. (2022). В «Справочнике по гравитационно-волновой астрономии», Springer.

Space.com (2024). Помогли ли «первичные» чёрные дыры, возникшие сразу после Большого взрыва, сформироваться первым звёздам нашей Вселенной?