|
Как сверхмассивные черные дыры стали такими большими
|
|
|
|
Сверхмассивные черные дыры (SMBH) могут иметь массы в миллиарды солнечных масс, и данные наблюдений свидетельствуют о том, что в центре всех крупных галактик находится одна такая дыра. Однако JWST раскрыл фундаментальную космическую тайну.
|
|
|
|
Мощный космический телескоп, с его помощью можно было наблюдать за древними галактиками в течение первого миллиарда лет после Большого взрыва, и он показал нам, что небольшие скопления уже тогда были чрезвычайно массивными. Это противоречит нашим научным моделям, объясняющим, как эти чудовища стали такими огромными.
|
|
|
|
Как им удалось так рано стать такими массивными?
|
|
|
|
Черные дыры любой массы в какой-то степени загадочны. Мы знаем, что массивные звезды могут коллапсировать и образовывать черные дыры звездной массы на поздних этапах своей жизни. Мы также знаем, что пары черных дыр звездной массы могут сливаться, и мы обнаружили гравитационные волны от этих слияний. Итак, заманчиво предположить, что небольшие черные дыры также растут в результате слияний, когда галактики сливаются вместе.
|
|
|
|
Проблема в том, что в ранней Вселенной черным дырам не хватало времени, чтобы вырасти достаточно большими и сливаться достаточно часто, чтобы образовались сверхмалые дыры. JWST показал нам ошибки в наших моделях роста черных дыр, обнаружив квазары, питаемые черными дырами с массой от 1 до 10 миллиардов солнечных масс, менее чем через 700 миллионов лет после Большого взрыва.
|
|
|
|
|
|
|
Астрофизики заняты тем, что пытаются понять, как небольшие черные дыры во Вселенной так быстро стали настолько массивными. Новое исследование под названием "Первичные черные дыры как семена сверхмассивных черных дыр" пытается заполнить пробел в нашем понимании. Ведущим автором является Франческо Ципаро из Высшей нормальной школы Пизы, государственного университета в Италии. Статья доступна на сервере препринтов arXiv.
|
|
|
|
Существует три типа черных дыр: черные дыры звездной массы, черные дыры средней массы (IMBH) и SMBH. Черные дыры звездной массы имеют массу от примерно пяти масс Солнца до нескольких десятков масс Солнца. Массы SMBH колеблются от сотен тысяч масс Солнца до миллионов или миллиардов масс Солнца. IMBH находятся между ними, их массы колеблются примерно от ста до ста тысяч масс Солнца.
|
|
|
|
Исследователи задавались вопросом, могут ли IMBH быть недостающим звеном между черными дырами звездной массы и SMBH. Однако у нас есть только косвенные доказательства того, что они существуют.
|
|
|
|
Существует четвертый тип черных дыр, который в значительной степени является теоретическим, и некоторые исследователи полагают, что они могут помочь объяснить, почему ранние небольшие черные дыры были такими массивными. Они называются первичными черными дырами (ЧЧД). Условия в очень ранней Вселенной были сильно иными, чем сейчас, и астрофизики полагают, что ЧЧД могли образоваться в результате прямого коллапса плотных скоплений субатомной материи. Черные дыры сформировались еще до появления звезд, поэтому они не ограничены довольно узким диапазоном масс черных дыр звездной массы.
|
|
|
|
"Присутствие сверхмассивных черных дыр в первом космическом цикле (гигагоде) бросает вызов современным моделям образования и эволюции черных дыр", - пишут исследователи. "Мы предлагаем новый механизм формирования ранних зародышей SMBH, основанный на первичных черных дырах (PBH)".
|
|
|
|
Зипаро и его соавторы объясняют, что в ранней Вселенной PBH собирались в группы и формировались в областях с высокой плотностью, в тех же областях, где возникали ореолы темной материи. Их модель учитывает аккрецию PBH и обратную связь, рост ореолов темной материи и динамическое трение газа.
|
|
|
|
В этой модели PBH имеют массу около 30 масс Солнца и находятся в центральной области гало из темной материи (DM). По мере роста гало барионное вещество оседает в их углублениях в виде охлажденного газа. "PBH как накапливают барионы, так и теряют угловой момент в результате динамического трения о газ, таким образом, собираясь в центральной области потенциальной ямы и образуя плотное ядро", - объясняют авторы. После объединения происходит стремительный коллапс, который приводит к образованию массивной черной дыры. Ее масса зависит от начальных условий.
|
|
|
|
Посаженные достаточно рано, эти семена могут объяснить ранние проявления SMBH, которые наблюдал JWST.
|
|
|
|
По мнению авторов, есть способ проверить эту модель.
|
|
|
|
"Ожидается, что на начальном этапе предполагаемого процесса формирования зародыша слияния PBH-PBH будут обильно излучать гравитационные волны. Эти предсказания могут быть проверены с помощью будущих наблюдений с помощью телескопа Эйнштейна и использованы для ограничения инфляционных моделей", - объясняют они.
|
|
|
|
Телескоп Эйнштейна или обсерватория Эйнштейна - это предложение нескольких европейских исследовательских агентств и институтов о создании подземной гравитационно-волновой обсерватории (GW), которая будет основана на успехе лазерно-интерферометрических детекторов Advanced Virgo и Advanced LIGO. Телескоп Einstein также был бы лазерным интерферометром, но с гораздо более длинными плечами. В то время как у LIGO длина плеч составляет четыре километра, у Einstein - 10 км. Эти более длинные плечи в сочетании с новыми технологиями сделали бы телескоп гораздо более чувствительным к GWs.
|
|
|
|
Телескоп Эйнштейна должен открыть окно GW во всю совокупность звездных дыр и черных дыр средней массы за всю историю Вселенной. "Телескоп Einstein впервые позволит исследовать Вселенную с помощью гравитационных волн на протяжении всей ее космической истории вплоть до космологических темных веков, проливая свет на открытые вопросы фундаментальной физики и космологии", - говорится на веб-сайте Einstein.
|
|
|
|
До полного понимания SMBH еще далеко, но их понимание важно из-за их роли во Вселенной. Они помогают объяснить крупномасштабную структуру Вселенной, влияя на распределение материи в больших масштабах. Тот факт, что они появились во Вселенной намного раньше, чем мы предполагали, показывает, что нам еще многое предстоит узнать о SMBH и о том, как Вселенная эволюционировала до того состояния, в котором она находится сейчас.
|
|
|
|
Источник
|
