Существует растущее мнение, что черные дыры в ранней Вселенной, возможно, были семенами, вокруг которых впервые выросли большинство сегодняшних больших галактик (теперь с сверхмассивными черными дырами внутри). И, сделав шаг назад, возможно, черные дыры стали ключом к реионизации ранней межзвездной среды, которая затем повлияла на крупномасштабную структуру современной вселенной.
Вспомним те ранние годы ... Сначала был Большой взрыв - и в течение примерно трех минут все было очень компактным и, следовательно, очень горячим, - но через три минуты образовались первые протоны и электроны, и в течение следующих 17 минут часть этих протонов взаимодействовала с образованием ядра гелия - до 20 минут после Большого взрыва расширяющаяся вселенная становилась слишком холодной, чтобы поддерживать нуклеосинтез. Оттуда протоны, ядра гелия и электроны просто отскакивали в течение следующих 380 000 лет в виде очень горячей плазмы.
Также были фотоны, но у этих фотонов было мало шансов сделать что-либо еще, кроме того, что они образовались, а затем немедленно реабсорбировались соседней частицей в этой горячей кипящей плазме. Но в 380 000 лет расширяющаяся вселенная достаточно остыла, чтобы протоны и ядра гелия объединились с электронами, чтобы сформировать первые атомы - и внезапно фотоны остались с пустым пространством, в котором они могли бы испускаться как первые лучи света - которые сегодня мы все еще может обнаружить в качестве космического микроволнового фона.
Затем последовали так называемые темные века, и примерно через полмиллиарда лет после Большого взрыва начали формироваться первые звезды. Вполне вероятно, что эти звезды были большими, например, действительно большими, поскольку доступные и стабильные атомы водорода (и гелия) легко агрегировались и накапливались. Некоторые из этих ранних звезд, возможно, были такими большими, что они быстро разлетелись на части в виде сверхновых звезд с нестабильностью пары. Другие были просто очень большими и свернулись в черные дыры - многие из них имели слишком большую самогравитацию, чтобы взрыв сверхновой мог выбить какой-либо материал из звезды.
И именно здесь начинается история реионизации. Прохладные стабильные атомы водорода ранней межзвездной среды не оставались холодными и стабильными в течение очень долгого времени. В меньшей вселенной, полной плотно упакованных массивных звезд, эти атомы быстро разогревались, в результате чего их электроны диссоциировали, а их ядра снова становились свободными ионами. Это создало плазму низкой плотности - все еще очень горячую, но слишком рассеянную, чтобы быть непрозрачной, чтобы больше не светить.
Вполне вероятно, что этот шаг реионизации ограничил размер, до которого могут расти новые звезды, а также ограничил возможности для роста новых галактик, поскольку горячие возбужденные ионы с меньшей вероятностью собирались и накапливались, чем холодные, стабильные атомы. Реионизация, возможно, способствовала нынешнему «клочковатому» распределению материи, которое организовано, как правило, в большие дискретные галактики, а не в равномерное распространение звезд повсюду.
И было высказано предположение, что ранние черные дыры - фактически черные дыры в рентгеновских двойных файлах с большой массой - могли внести существенный вклад в реионизацию ранней Вселенной. Компьютерное моделирование предполагает, что ранняя вселенная с тенденцией к очень массивным звездам, скорее всего, будет иметь черные дыры в качестве звездных остатков, а не нейтронные звезды или белые карлики. Кроме того, эти черные дыры чаще бывают в двойных системах, чем в изоляции (поскольку массивные звезды чаще образуют множество систем, чем маленькие звезды).
Таким образом, в случае массивного двойного элемента, где один компонент представляет собой черную дыру, черная дыра быстро начнет накапливать большой аккреционный диск, состоящий из вещества, извлеченного из другой звезды. Затем этот аккреционный диск начнет излучать фотоны высокой энергии, особенно на уровнях энергии рентгеновского излучения.
Хотя число ионизирующих фотонов, испускаемых аккрецирующей черной дырой, вероятно, аналогично количеству яркой светящейся звезды-прародителя, можно ожидать, что они будут излучать гораздо более высокую долю рентгеновских фотонов высокой энергии - при этом каждый из этих фотонов потенциально нагревается и ионизируют несколько атомов на своем пути, в то время как фотон светящейся звезды может только переионизировать один или два атома.
Итак, поехали. Черные дыры ... что они не могут сделать?
Дальнейшее чтение: Мирабель и др. Звездные черные дыры на заре вселенной.
