|
Первичные черные дыры ускорили звездообразование
|
|
|
|
Поиск темной материи требует использования всех лучших моделей, теорий и идей, которые мы можем предложить. В новой статье Джулии Моники Кулен, Стефано Профумо и Нолана Смита из Калифорнийского университета в Санта—Крузе (UCSC) рассматриваются размеры и распространенность одного из наиболее интересных кандидатов в темную материю - первичных черных дыр (PBH). Результаты исследования опубликованы на сервере препринтов arXiv.
|
|
|
|
В исследованиях ранней Вселенной образование первых звезд ознаменовало собой важную веху, которая проливает свет на дальнейшее развитие событий, как в переносном, так и в буквальном смысле. Астрофизики называют эти первые звезды звездами третьей популяции. Согласно еще одному удивительно странному варианту астрономических названий, они названы так потому, что были третьим типом звезд, которые были открыты: молодые "богатые металлами" звезды, такие как наше Солнце, составляют "Популяцию I", а более старые "бедные металлами" звезды составляют "популяцию II".
|
|
|
|
С другой стороны, звезды популяции III были бы полностью свободны от металлов, поскольку процесс синтеза, необходимый для создания элементов, которые считаются "металлами" в звездах (то есть всего, кроме водорода), еще не сформировался бы.
|
|
|
|
|
|
|
Поскольку мы никогда непосредственно не наблюдали звезды ТРЕТЬЕЙ популяции, мы знаем о них очень мало. Но мы все еще можем смоделировать их, а также их окружение, чтобы лучше понять как их самих, так и вселенную, в которой они родились. Именно это и пытается сделать статья исследователей Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Мы полагаем, что эти звезды сформировались в области пространства, называемой "мини-гало", которая в основном состояла из темной материи, поэтому ученые пытались выяснить, из чего на самом деле состояли эти мини-гало.
|
|
|
|
PBH являются одними из главных кандидатов и могли либо составлять, либо, по крайней мере, взаимодействовать с этими ореолами темной материи. Понимание влияния этих сингулярностей на формирование самых ранних звезд может дать ключ к пониманию того, являются ли они хорошим кандидатом на существование более крупной "темной материи", которая, как мы все еще наблюдаем, влияет на гравитационную эволюцию Вселенной сегодня.
|
|
|
|
Однако смоделировать их сложнее, чем кажется. Исследователи Калифорнийского университета в Лос—Анджелесе использовали программный пакет под названием GIZMO для моделирования двух основных компонентов ранней Вселенной - гидродинамики и гравитационного сценария N-тел. Гидродинамика пыталась охватить процесс, посредством которого пыль и газ влияли на формирование самых ранних звезд, в то время как N-тело пыталось объяснить гравитационное влияние большого количества крупных тел, быстро приближающихся друг к другу.
|
|
|
|
Моделирование началось очень-очень рано во Вселенной и использовало модель лямбда-холодной темной материи, которую ученые используют в качестве стандартной модели космологии Большого взрыва, с другой добавленной библиотекой под названием GRACKLE для управления динамикой охлаждения газа, которая также оказывает существенное влияние на формирование звезд.
|
|
|
|
В конце всех симуляций исследователи обнаружили две совершенно разные роли, которые могут играть PBH. Они могут либо действовать как зародыши, вызывая образование звезд гораздо раньше, чем предполагалось ранее. Либо они могут действовать как подавители, в результате чего звездообразование занимает гораздо больше времени, чем первоначально прогнозировалось.
|
|
|
|
Если PBH в ранней Вселенной "массивные" (т.е. в 100 или более раз превышающие размер Солнца), то они последовательно быстрее заполняют раннюю вселенную звездами. Они делают это за счет увеличения интенсивности флуктуаций плотности, что, в свою очередь, создает больше мини-ореолов темной материи, в которых образуются звезды. Примечательно, что если на ранней стадии во Вселенной существует много массивных PBH, то первые звезды могут образоваться значительно раньше, чем предсказывают современные модели — хороший, поддающийся фальсификации прогноз, который может быть опровергнут, как только мы соберем больше данных о звездах ТРЕТЬЕЙ популяции.
|
|
|
|
Более мелкие PBH — те, масса которых примерно в 10 раз превышает массу Солнца, — играют более сложную роль в ранней Вселенной. Если их не очень много, то эти PBH фактически подавляют образование звезд. Они делают это за счет "приливного нагрева", при котором они повышают температуру газа, который обычно охлаждается, а затем коллапсирует в первые звезды.
|
|
|
|
С другой стороны, если бы в ранней Вселенной было много небольших PBH, они бы снова ускорили звездообразование, на этот раз за счет своего кумулятивного гравитационного притяжения, известного как эффект Пуассона. По сути, они работают аналогично массивным PBH — как центр притяжения, вокруг которого собираются газ и пыль.
|
|
|
|
Самое замечательное во всех этих симуляциях заключается в том, что они позволяют по-разному интерпретировать данные, которые мы в конечном итоге соберем о самых ранних звездах. Если они образуются рано, это может быть связано либо со сверхмассивными PBH, либо с обилием объектов меньшего размера. Однако, если окажется, что первые звезды образовались позже, это станет хорошим аргументом в пользу относительно небольших PBH и всех последствий, которые могут иметь для поиска темной материи.
|
|
|
|
В конечном счете, мы не узнаем, пока не соберем больше данных. Космический телескоп Джеймса Уэбба в настоящее время является нашим лучшим выбором для того, чтобы мы могли это сделать, но ему необходимо время для наблюдений, чтобы можно было сосредоточиться на сборе данных. Другие обсерватории, такие как Square Kilometer Array (SKA), могли бы революционизировать 21-сантиметровую космологию, что стало бы ключом к тому, чтобы заглянуть достаточно далеко во Вселенную и увидеть, когда официально зажглись первые звезды. Когда мы наконец получим эти данные, прогнозы, сделанные в этой статье, а также в десятках других, наконец-то будут проверены.
|
|
|
|
Источник
|
