Чорні діри прямого колапсу — масивні зародки чорних дір, утворені внаслідок прямого колапсу великої кількості матеріалу. Припускають, що вони утворитися в діапазоні червоних зміщень z = 15–30, коли вік Всесвіту становив близько 100—250 мільйонів років. На відміну від утворення зародків чорних дір з першої популяції зір (також відомих як зорі популяції III), зародки чорних дір прямого колапсу утворюються внаслідок прямої загальнорелятивістської нестабільності. Вони дуже масивні, з типовими масами при утворенні ~ 105 M☉. Цю категорію зародків чорних початково запропонували для пояснення утворення надмасивних чорних дір вже на червоних зміщеннях z~7, а пізніше численні спостереження підтвердили таку теоретичну модель.
Формування Вважається, що чорні діри прямого колапсу утворилися у Всесвіті з високим червоним зміщенням. Їхні типові маси при утворенні ~ 105 M☉, але можуть варіюватись від 104 M☉ до 106 M☉. Фізичні умови навколишнього середовища для формування чорних дір прямого колапсу (на відміну від утворення зоряних скупчень) є наступними:
Газ із нульовою металічністю (лише водень та гелій). Атомне охолодження. Достатньо великий потік , щоб зруйнувати молекули водню, які є дуже ефективними охолоджувачами газу
Такі умови необхідні для уникнення охолодження газу і, як наслідок, фрагментації первинної газової хмари. Не маючи змоги фрагментувати та утворювати зорі, газова хмара зазнає гравітаційного колапсу як ціле, досягаючи надзвичайно високої густини речовини в ядрі, порядку ~ 107 г/см³, та центральної температури до ~ 1010 K. За такої густини об'єкт зазнає загальнорелятивістської нестійкості, що призводить до утворення чорної діри з масою ~ 105−106 M☉. Виникнення загальнорелятивістської нестійкості, а також відсутність зір як проміжної фази призвели до назви «чорні діри прямого колапсу». Іншими словами, ці об'єкти колапсують безпосередньо з первинної газової хмари, а не із зір, як це передбачено у стандартних моделях чорних дір. При металічністі більше ~ 10−5 Z⊙ відбувається фрагментація через охолодження за допомогою пилу. Зорі, розташовані в центрі акреції, стають надмасивними через велику кількість газу, що приходить у ході фрагментації. Цей процес називається «надконкурентною акрецією». Комп'ютерні моделювання показують можливість утворення надмасивних зір, які потім колапсують у чорні діри з масою в десятки тисяч мас Сонця.
Демографія Чорні діри прямого колапсу вважають надзвичайно рідкісними об'єктами у Всесвіті з високим червоним зміщенням, оскільки три фундаментальні умови для їхнього формування (див. вище в розділі «Формування») складно виконати одночасно в одній і тій самій газовій хмарі. Оцінки їхньої щільності сильно залежать від мінімального потоку фотонів Лаймана-Вернера, необхідного для їхнього формування. У найоптимістичніших сценаріях їхня щільність може сягати ~ 107 чорних дір прямого колапсу на кубічний гігапарсек, хоча інші моделювання дають всього лише близько 1 чорної діри прямого колапсу на кубічний гігапарсек при червоному зміщенні 15.
У дослідженні 2023 року моделювання задачі N тіл у поєднанні з напіваналітичними моделями еволюції галактик показало, що при z ~ 10 гало з ~ 109 M☉ до ~ 1010 M☉ зазвичай містить кілька чорних дір прямого колапсу, які пізніше зливаються в масивніші гало.
Дослідження формування чорних дір прямого колапсу при високих червоних зміщеннях (z >~ 13) вказують, що чорні діри прямого колапсу рясно утворювалися в ранньому Всесвіті при червоних зміщеннях близько z~14, коли присутність чорних дір прямого колапсу посилювала утворення нових чорних дір прямого колапсу у петлі позитивного зворотного зв'язку.
Виявлення Перших двох кандидатів на чорні діри прямого колапсу визначили 2016 році, використавши для цього дані космічного телескопа «Габбл» та рентгенівської обсерваторії «Чандра». Обидва кандидати з червоним зміщенням були виявлені в полі та відповідали спектральним властивостям, передбаченим для цього типу астрофізичних джерел. Зокрема, передбачається, що ці джерела мають значний надлишок інфрачервоного випромінювання порівняно з іншими категоріями джерел з високим червоним зміщенням. Додаткові спостереження, зокрема за допомогою космічного телескопа Джеймса Вебба, матимуть вирішальне значення для дослідження властивостей цих джерел та підтвердження їхньої природи.
Відмінність від первинних чорних дір та чорних дір зоряного колапсу Первинна чорна діра є результатом прямого колапсу енергії або іонізованої матерії протягом інфляційної або радіаційної епох, тоді як чорна діра прямого колапсу є результатом колапсу надзвичайно щільних і великих областей газу. Зауважте, що чорна діра, утворена в результаті колапсу зорі популяції III, не вважається «прямим» колапсом.
Див. також
Квазізоря QSO J0313−1806
Примітки
Література