Одними из самых ярких объектов в изученной учеными части Вселенной являются квазары, ореолы из нагретой до высокой температуры материи, окружающей черные дыры, масса которых превышает массу Солнца в миллиарды раз. У ученых имеется несколько теорий касательно процессов возникновения и формирования сверхмассивных черных дыр, но в этих теориях остается ряд нераскрытых вопросов, имеющих отношение к процессам формирования черных дыр в ранние моменты существования Вселенной. Некоторые ответы на эти вопросы были получены учеными из университета Осаки и университета Кентукки, которые создали математическую модель, описывающую формирование сверхмассивных черных дыр в период спустя 700 миллионов лет с момента Большого Взрыва.

«Ранняя Вселенная была заполнена плотной, горячей и однородной плазмой» — пишут исследователи, — «Расширяясь, Вселенная охлаждалась и в ней начали формироваться неоднородности, скопления материи, обладающие гравитацией, которая притягивала другую материю. Эти неоднородности стали зародышами первых звезд и подобные процессы немного позже привели к возникновению и росту других больших объектов — сверхмассивных черных дыр».

До недавнего времени большинство ученых считало, что массивные черные дыры могут возникать лишь в результате «краха» первых звезд определенного типа. Однако, исследования, проведенные различными группами ученых, в результате которых на свет появились описывающие процессы математические модели, показали, что в результате взрывов первых звезд на свет могли появиться лишь небольшие черные дыры. Модель, разработанная японскими учеными, демонстрирует иную ситуацию, в которой сверхмассивные черные дыры порождаются сразу из облаков газа, попавших в гравитационные потенциальные ямы, созданные скоплениями темной материи, невидимой материи, на долю которой сейчас приходится около 85 процентов от всего количества материи во Вселенной.

Моделирование динамики огромных газовых облаков является чрезвычайно сложным делом, требующим значительных вычислительных ресурсов. Для упрощения всего этого ученые использовали некоторые числовые уловки, в том числе и разбивку модели на «трехмерные пиксели», каждому из которых соответствует какой-то объем пространства.

«Несмотря на то, что у нас имелся доступ к чрезвычайно мощным суперкомпьютерам университета Осаки и Национальной астрономической обсерватории, мы не имели возможность моделировать каждую отдельную частицу газового облака» — объясняют исследователи, — «Вместо этого наша модель состоит из «объемных» частиц, количество которых увеличивалось по мере продвижения процесса. Это позволило нам охватить моделированием более длинный временной промежуток».

Расчеты созданной модели показали некоторые удивительные вещи. Оказывается, что число неоднородностей распределения материи, «зародышей» звезд и черных дыр в ранней Вселенной, не увеличивалось большими темпами. Вместо этого, один из «зародышей», находящихся в центральной части моделируемого пространства, достаточно быстро, за 2 миллиона лет, набрал массу, эквивалентную 2 миллионам масс Солнца. И гравитационных сил этой массы материи вполне достаточно для начала формирования не только звезды, но и сверхмассивной черной дыры. Кроме этого, вокруг зародыша сверхмассивной черной дыры в недрах модели сформировались два независимых диска из материи, явление, которое никогда не наблюдалось ни в других моделях, ни в реальной Вселенной.

Следует отметить, что данная группа ученых из университета Осаки является далеко не новичками в деле моделирования астрофизических объектов и процессов. Предыдущая модель, составленная этими учеными, описывает процесс роста массивных галактик во время, которое охватывается и новой моделью формирования черных дыр.

«Нам нравится постоянно отодвигать границы того, как далеко назад во времени мы можем видеть происходившие во Вселенной процессы» — рассказывают исследователи, — «И мы надеемся, что наши математические модели будут подтверждены реальными данными, собранными новым телескопом James Webb Space Telescope, который будет запущен в 2018 году и который сможет заглянуть назад по времени дальше, чем любой другой астрономический инструмент».