|
Древние черные дыры оказались более массивны
|
|
|
|
В центре большинства галактик находятся массивные черные дыры. Представьте себе гравитационный потенциальный колодец галактики-хозяина в виде раковины в ванной, из которой по спирали стекает вещество, направленное к центру, где находится черная дыра.
|
|
|
|
Когда материя падает к черной дыре, она трется о саму себя и сияет как яркий компактный источник света, называемый квазаром (производное от “квазизвезда”), излучающий в сто раз больше энергии, чем все звезды в основной галактике. Размер поглотителя более чем в десять миллионов раз меньше размера галактики.
|
|
|
|
Яркие световые маяки, связанные с квазарами, можно было обнаружить с помощью телескопа Уэбба на огромных расстояниях, когда Вселенной было менее миллиарда лет, а галактикам-хозяевам было всего несколько сотен миллионов лет.
|
|
|
|
Шестьдесят лет назад наши телескопы были гораздо менее чувствительны. Первым квазаром, открытым Мартеном Шмидтом в 1963 году, был радиоисточник 3C273, который существовал в течение последних 16% из 13,8 миллиардов лет истории Вселенной с красным смещением 0,16. Совсем недавно наблюдатели обнаружили квазары, относящиеся к первому миллиарду лет космической истории, с космологическими красными смещениями, превышающими 6. Интересно, что эти ранние квазары сильно отличаются от близлежащих квазаров в поздней Вселенной.
|
|
|
|
|
|
|
В поздней Вселенной менее процента всех галактик светятся как квазары. Это говорит о том, что квазарная “лампочка” светит менее процента времени. Более того, масса черной дыры составляет менее половины процента от массы звездного сфероида, который окружает ее в пределах галактики-хозяина.
|
|
|
|
Поэтому мы были удивлены, когда на этой неделе в новом препринте появилось сообщение о том, что квазар, обозначенный как J1120+0641 с красным смещением 7.08, образовавшийся в галактике возрастом в несколько сотен миллионов лет, имеет черную дыру массой в 1,4 миллиарда солнц и окружен звездами, масса которых всего в два раза больше. Большая часть окружающей массы находится в виде газа, что в десять раз превышает массу черной дыры. Почему эта черная дыра является сверхмассивной в столь раннее космическое время по сравнению с близлежащими черными дырами?
|
|
|
|
Моя интерпретация проста. Рост черных дыр ограничен их радиационной яркостью, которая действует как саморегулирующийся клапан. Если они светят слишком ярко, давление внешнего излучения преодолевает силу притяжения, направленную внутрь, и материя перестает их подпитывать.
|
|
|
|
Этот клапан был впервые обнаружен астрофизиком Артуром Эддингтоном столетие назад в контексте ограничения светимости звезд. Предел Эддингтона пропорционален гравитирующей массе. Поскольку светимость квазара пропорциональна скорости аккреции массы, можно обнаружить, что максимальная производная от массы черной дыры по времени зависит от этой массы. Это предполагает экспоненциальный рост с временным интервалом порядка 50 миллионов лет при типичной эффективности преобразования массы покоя в излучение вблизи черной дыры, равной 10%.
|
|
|
|
Увеличение массы черной дыры из зародыша с низкой массой на порядки требует сотен миллионов лет. Когда этот временной масштаб роста сравним с возрастом галактики-хозяина, черная дыра светится все время, прежде чем ее масса достигнет своего конечного значения.
|
|
|
|
Это говорит о том, что фаза роста центральной черной дыры была гораздо более заметной, когда Вселенная была молодой. Но что еще более важно, нагрев окружающего газа квазаром подавляет звездообразование в основной галактике. Для того чтобы галактический газ распался на звезды, он должен остыть до низких температур - на десятки градусов по Кельвину выше абсолютного нуля, характерных для молекулярных облаков в близлежащих галактиках.
|
|
|
|
Однако при нагревании квазаром давление горячего газа предотвращает фрагментацию на небольшие плотные сгустки, которые приводят к образованию звезд. Эти обстоятельства естественным образом приводят к образованию сверхмассивных черных дыр по сравнению с общей массой звезд в пределах галактики-хозяина. Большое количество газа остается теплым, избегая превращения в звезды.
|
|
|
|
Как только возраст галактик значительно превышает несколько сотен миллионов лет – продолжительность активной фазы роста квазаров, - галактики тратят большую часть своего времени на создание звезд из холодного газа, в то время как квазар бездействует. В результате масса звезд становится намного больше, чем у раннего квазара J1120+0641.
|
|
|
|
Основываясь на приведенной выше интерпретации, я недавно написал статью с моим блестящим постдоком Фабио Пачуччи, в которой объясняется популяция сверхмассивных квазаров в ранние космические времена.
|
|
|
|
Что же послужило основой для возникновения этих сверхмассивных черных дыр? Естественное происхождение имеют сверхмассивные газовые облака, которые были предсказаны в статье, написанной мной совместно с Фредом Расио в 1994 году, и подробно описаны как канал образования “черной дыры прямого коллапса (DCBH)” в статье 2003 года с моим бывшим постдоком Фолькером Броммом.
|
|
|
|
Обнаружение сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной равносильно обнаружению гигантского младенца в родильном зале. С помощью телескопа Уэбба мы приблизились к определению их зародышей.
|
|
|
|
Источник
|
