|
Обнаружены черные дыры прямого коллапса
|
|
|
|
Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) был разработан для того, чтобы заглянуть в прошлое и изучить галактики, которые существовали вскоре после Большого взрыва. При этом ученые надеялись лучше понять, как развивалась Вселенная с самых ранних космологических эпох до настоящего времени. Когда Webb впервые применил свою передовую оптику и приборы для изучения ранней Вселенной, он обнаружил новый класс астрофизических объектов: ярко-красные источники, которые были названы "Маленькими красными точками" (LRD). Первоначально астрономы предположили, что это могут быть массивные области звездообразования, но это противоречило устоявшимся космологическим моделям.
|
|
|
|
По сути, эти модели предсказывали, что массивные галактики не могли образоваться менее чем через миллиард лет после Большого взрыва. Это привело к теории о том, что они могут быть квазарами - яркими центральными областями галактик, питаемыми сверхмассивными черными дырами (SMBH). Это также бросало вызов устоявшимся моделям, поскольку предполагалось, что у малых и средних предприятий не было бы достаточно времени для формирования ни того, ни другого. В недавней статье, опубликованной на сервере препринтов arXiv, группа астрономов под руководством Гарвардского университета продемонстрировала, что тайну LRD можно объяснить, отождествив их с аккрецирующими черными дырами прямого коллапса (DCBH).
|
|
|
|
Исследованием руководил Фабио Пачуччи, штатный астрофизик Гарвардско-Смитсоновского центра астрофизики (CfA) и Инициативы по изучению черных дыр (BHI) Гарвардского университета. К нему присоединились Андреа Феррара, профессор космологии в Высшей нормальной школе в Пизе, Италия, и Дейл Д. Кочевски, доцент физики и астрономии в колледже Колби. Статья, в которой подробно описываются их выводы, "Маленькие красные точки - это черные дыры с прямым коллапсом", готовится к публикации в журнале Nature.
|
|
|
|
|
|
|
Их исследование основано на радиационно-гидродинамическом моделировании, разработанном для моделирования эмиссионных свойств DCBHS, класса черных дыр, которые образуются непосредственно из облаков холодного газа. Это отличается от традиционных моделей, которые предсказывают, как черные дыры образуются в результате коллапса массивных звезд. Эти массивные звезды, теоретический класс, известный как популяция III, были первыми звездами во Вселенной, образовавшимися из водорода и гелия практически без следов более тяжелых элементов (таких как металлы).
|
|
|
|
Они были массивными, чрезвычайно горячими и яркими и жили очень недолго по сравнению с более современными поколениями звезд, оставаясь в фазе главной последовательности около 2-5 миллионов лет. Со временем эти черные дыры слились бы с другими черными дырами (посредством галактических слияний и других механизмов), образовав массивные черные дыры (MBH). Однако этот процесс мог бы происходить только в течение миллиардов лет, а не нескольких сотен миллионов лет между Большим взрывом и появлением этих галактик.
|
|
|
|
Как Пачуччи объяснил Universe Today по электронной почте, именно здесь стандартные модели вступают в противоречие с современными наблюдениями: "Этот процесс хорошо работает в близлежащей Вселенной, но становится очень трудно объяснить чрезвычайно массивные черные дыры (иногда более чем в миллиард раз превышающие массу нашего Солнца!), которые появляются так быстро. очень рано, когда Вселенной было всего несколько сотен миллионов лет.
|
|
|
|
"Проще говоря, кажется, что у черных дыр звездной массы недостаточно времени, чтобы вырасти до миллионов или миллиардов солнечных масс при использовании обычных темпов роста, что создает противоречие между теорией и наблюдениями. Эта давняя проблема и есть тот момент, когда в игру вступает теория DCBHS: вместо того, чтобы начинаться с малого, эти черные дыры рождаются уже массивными, обеспечивая естественный кратчайший путь, позволяющий обойти упомянутое выше узкое место во времени.
|
|
|
|
"Напротив, предполагается, что DCBH не образовались из зародышей звезд третьей популяции, а коллапсировали непосредственно из облаков водорода в ранней Вселенной. Первоначально они были предложены как средство устранения расхождений между стандартной космологической моделью и LRDS, наблюдаемыми Уэббом. В своей статье Пачуччи и его коллеги проверили, как DCBH, активно поглощающие материал из окружающей среды, могут воспроизвести то, что Уэбб наблюдал во времена ранней Вселенной.
|
|
|
|
"Наше радиационно-гидродинамическое моделирование отслеживает как то, как газ попадает в черную дыру, так и то, как производимое им излучение влияет на ее окружение", - сказал Пачуччи. "Это взаимодействие естественным образом создает чрезвычайно плотную среду, которая поглощает высокоэнергетическое излучение и перерабатывает его в ультрафиолетовый и оптический свет, который JWST наблюдает после его красного смещения в инфракрасную область. Когда мы превращаем эти симуляции в имитационные наблюдения, они невероятно хорошо согласуются с данными JWST о маленьких красных точках, показывая, что их свойства могут быть объяснены хорошо изученными физическими процессами в ранней Вселенной".
|
|
|
|
Они обнаружили, что их моделирование воспроизводит специфические характеристики LRD, включая их слабое рентгеновское излучение, наличие линий металла и высокой ионизации, отсутствие признаков звездообразования, их распространенность и эволюцию красного смещения, а также их долгоживущие переменные фазы, зависящие от радиационного давления. Аналогичным образом, наличие плотных газовых облаков, окружающих черные дыры, также объясняет их чрезвычайно компактную природу и то, почему они кажутся сверхмассивными по сравнению с любыми звездными компонентами.
|
|
|
|
Пачуччи сказал: "Все загадочные свойства LRD объясняются в рамках единой, самосогласованной структуры, не требующей каких-либо специальных предположений. Что делает нашу модель особенно мощной, так это ее простота, основанная на десятилетиях теоретической работы, показывающей, как черные дыры прямого коллапса, как ожидается, будут формироваться и эволюционировать в течение космического времени. Одна из основных научных целей JWST - идентифицировать первые черные дыры и выяснить, как они образовались.
|
|
|
|
"Астрономы десятилетиями искали эти первичные объекты, но прямых доказательств по-прежнему не было. Наши результаты показывают, что JWST является свидетелем именно этой долгожданной фазы: формирования и роста зародышей массивных черных дыр в результате прямого коллапса. Это стало бы крупным прорывом, показавшим бы, что самые ранние черные дыры образовались эффективно и на ранней стадии, и что JWST, наконец, открывает окно прямых наблюдений за их рождением".
|
|
|
|
Сделав открытия, которые бросили вызов наиболее распространенным космологическим моделям, Уэбб сделал именно то, для чего был создан. Хотя изначально LRDS были загадкой, ставившей в тупик астрономов и космологов, с тех пор сценарий DCBH был экспериментально подтвержден, что позволило получить жизненно важное представление об одном из самых ранних периодов космической истории.
|
|
|
|
Источник
|
