Новое исследование демонстрирует, что чёрные дыры растут следом за Вселенной

Мы знаем, что Вселенная постоянно расширяется. При этом считается, что гравитационно связанные системы, такие как планетные системы и чёрные дыры, в значительной степени не участвуют в этом расширении. Однако новая работа, опубликованная в виде препринта на arXiv физиками‑теоретиками Валерио Фараони из Университета Бишопс и Массимилиано Ринальди из Университета Тренто, ставит это представление под сомнение. Исследователи утверждают, что воспринимаемый горизонт [apparent horizon] чёрной дыры не может оставаться статичным в расширяющейся Вселенной и со временем должен начать следовать за ней.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб» и другие обсерватории обнаружили сверхмассивные чёрные дыры уже в ранней Вселенной. Настолько большие, что их нед должно было там быть. Существует физическое ограничение скорости, с которой газ может падать на чёрную дыру, известное как предел Эддингтона. Из‑за него быстрый увеличение некоторых ранних сверхмассивных чёрных дыр трудно объяснить только стандартными астрофизическими механизмами.

Астрофизические чёрные дыры обычно моделируют с помощью решения Керра, описывающего изолированную чёрную дыру в асимптотически плоском пространстве‑времени. Тем не менее реальные чёрные дыры находятся внутри эволюционирующей Вселенной. В предыдущей работе Фараони и Ринальди показали, что горизонт событий чёрной дыры, локально напоминающий шварцшильдовский, не может оставаться строго статичным в меняющемся окружении, не превращаясь при этом в голую нулевую сингулярность. Чтобы разобраться с этой проблемой, исследователи вместо горизонта событий рассмотрели воспринимаемый горизонт чёрной дыры.

Они построили общую сферически‑симметричную математическую модель и рассмотрели, может ли воспринимаемый горизонт чёрной дыры расширяться а) медленнее, б) быстрее или в) с той же скоростью, что и окружающая Вселенная. Аналитика представил, что единственный физически допустимый долговременный скрипт приводит к тому, что воспринимаемый горизонт в конечном счёте расширяется вслед за Вселенной.

Одна из возможностей заключается в том, что такая космологическая связь может способствовать быстрому росту сверхмассивных чёрных дыр в ранней Вселенной. Тем не менее разработчики прямо подчёркивают, что утверждать, будто этот механизм действительно решает проблему, пока преждевременно: для этого необходимы подробные модели. Работа равным образом может иметь отношение к необычным массам чёрных дыр, обнаруженным гравитационно‑волновыми обсерваториями, тем не менее исследование не доказывает, что космологический рост объясняет так называемый верхний разрыв в распределении масс чёрных дыр.

Авторы также подчёркивают, что ограничили расчёты сферически‑симметричными чёрными дырами, тогда как реальные астрофизические чёрные дыры ещё и вращаются. Они предполагают, что основной результат сохранится и для вращающихся чёрных дыр, но это ещё предстоит проверить.