|
Далёкие чёрные дыры, разрывающие звёзды
|
|
|
|
Как формируются и растут чёрные дыры в центрах галактик? Чтобы ответить на этот вопрос, учёным необходимо обнаружить и изучить сверхмассивные чёрные дыры на больших расстояниях, существовавшие гораздо раньше в истории Вселенной. Новые исследования показывают, что космический телескоп НАСА имени Нэнси Грейс Роман, запуск которого запланирован на 30 августа 2026 года, сможет обнаружить эти далёкие древние чёрные дыры, существовавшие до 11 миллиардов лет назад.
|
|
|
|
Чёрные дыры лучше всего изучать, наблюдая за светом, излучаемым их аккреционными дисками — веществом, которое вращается вокруг них, прежде чем быть поглощенным. Более лёгкие сверхмассивные чёрные дыры трудно наблюдать, поскольку они, как правило, менее яркие из-за более низких темпов аккреции. Но иногда они разрывают и поглощают целую звезду, становясь ярче своей галактики-хозяина в результате так называемого события приливного разрушения (TDE). Изучив популяцию ранних сверхмассивных черных дыр, их эволюцию и рост на протяжении миллиардов лет, телескоп Roman предоставит ключи к разгадке происхождения этих гигантов.
|
|
|
|
«Космический телескоп Roman произведет революцию в науке о транзиентных явлениях», — сказал ведущий автор исследования Митчелл Кармен из Университета Джонса Хопкинса, аспирант и стипендиат Национального научного фонда. «Благодаря высокой чувствительности Roman мы сможем обнаружить множество событий приливного разрушения на больших расстояниях и в более ранние космические времена, чем когда-либо прежде».
|
|
|
|
|
|
|
Обзор Roman в высокоширотной временной области, один из трех основных обзоров, проводимых научным сообществом, особенно хорошо подходит для поиска и изучения событий приливного разрушения в ранней Вселенной. Этот обзор будет охватывать около 18 квадратных градусов неба, площадь, эквивалентную 90 полным лунам, с регулярной периодичностью. Повторно посещая одни и те же области, астрономы смогут обнаружить большое количество транзиентных событий, таких как события приливного разрушения.
|
|
|
|
События приливного разрушения — это явления, уникальные для более лёгких сверхмассивных чёрных дыр. Более тяжёлые чёрные дыры, весящие более 1 миллиарда солнц, поглощают входящие звёзды целиком. Но более лёгкие чёрные дыры массой около 100 000–100 миллионов солнц могут разорвать звезду на части, прежде чем поглотить её, создав маяк, который ярче за пару недель, а затем постепенно гаснет.
|
|
|
|
Частота событий приливного разрушения колеблется в течение космического времени. Предыдущие работы предсказывали, что частота событий приливного разрушения будет уменьшаться с увеличением расстояния, поскольку большинство молодых чёрных дыр слишком лёгкие, чтобы вызвать такое событие. Однако в этом новом исследовании учитываются многочисленные факторы, которые меняются со временем, такие как частота слияний галактик (и, следовательно, чёрных дыр), а также количество звёзд в ядре каждой галактики и их плотность.
|
|
|
|
Кармен и его коллеги смоделировали эти и другие эффекты, чтобы предсказать, сколько событий приливного разрушения (TDE) сможет наблюдать обсерватория Roman, а также сколько из них смогут наблюдать другие обсерватории, включая наземную обсерваторию имени Веры К. Рубин Национального научного фонда и Министерства энергетики США, а также космический телескоп Джеймса Уэбба НАСА. Команда прогнозирует, что астрономы увидят увеличение частоты TDE по мере того, как обсерватория Roman будет исследовать большие расстояния и более ранние периоды времени, вплоть до «космического полудня», примерно 11–12 миллиардов лет назад, когда звездообразование достигло пика во всей Вселенной, после чего снова начнет снижаться.
|
|
|
|
Обсерватория Roman будет наблюдать ближний инфракрасный диапазон длин волн света. Свет от далеких TDE растягивается до более длинных волн из-за расширения Вселенной — явление, известное как космологическое красное смещение. В результате обсерватория Roman оптимизирована для обнаружения TDE, свет от которых прошел путь от 8 до 11 миллиардов лет, чтобы достичь нас.
|
|
|
|
Обсерватория Рубина также будет сканировать большие участки неба и обнаруживать множество новых событий приливного разрушения (TDE). Однако она будет наблюдать видимый свет, что ограничивает её возможности обнаружением более близких TDE, чем обсерватория Романа.
|
|
|
|
Исследование команды Кармена показывает, что Рубин будет обнаруживать от тысяч до десятков тысяч TDE в год. В то время как ожидается, что обсерватория Романа будет обнаруживать до 100 TDE в год, эти чёрные дыры будут находиться на гораздо больших расстояниях, в пределах той области космической истории, которая наиболее важна для различения сценариев происхождения чёрных дыр.
|
|
|
|
«Просто подсчитав количество TDE в зависимости от красного смещения, можно наложить значимые ограничения на популяцию чёрных дыр массой в миллионы солнечных масс», — сказала соавтор Суви Гезари, доцент астрономии в Университете Мэриленда. «Обсерватория Романа станет прорывной в том смысле, что она сможет исследовать события приливного разрушения на больших расстояниях, поэтому можно будет наблюдать, как меняется частота TDE с течением времени».
|
|
|
|
Астрономы наблюдали поистине гигантские черные дыры на самых ранних этапах истории Вселенной — настолько ранних, что теории с трудом объясняют, как они могли так быстро достичь таких размеров. Они, должно быть, начинали с меньших размеров и росли со временем, но насколько меньше?
|
|
|
|
Одна из теорий, известная как «легкие зародыши», начинается с черных дыр, образовавшихся в результате гибели массивных звезд. Такие черные дыры могут весить в несколько сотен раз больше нашего Солнца. Затем эти черные дыры со временем сливаются, а также поглощают окружающий газ с поразительной скоростью. В этом сценарии в центре каждой молодой галактики должна быть массивная черная дыра.
|
|
|
|
Вторая теория, известная как «тяжелые зародыши», предполагает, что черная дыра могла родиться с гораздо большей массой, до миллиона раз больше нашего Солнца, в результате такого процесса, как прямой коллапс газового облака. Однако этот процесс должен быть менее распространенным, что привело бы к тому, что сверхмассивные черные дыры были бы гораздо реже в ранних галактиках.
|
|
|
|
«События приливного разрушения помогают нам исследовать популяцию лёгких сверхмассивных чёрных дыр, что позволяет нам различать эти модели», — сказал Кармен.
|
|
|
|
В конечном итоге, подсчёт событий приливного разрушения, проводимый обсерваторией «Роман», поможет исследователям отслеживать глобальные эффекты, влияющие на популяцию чёрных дыр с течением времени.
|
|
|
|
Как только обсерватории «Роман» и «Рубин» начнут регулярные научные исследования, команда рассчитывает сравнить свои прогнозы с фактическими обнаружениями, сделанными этими обсерваториями.
|
|
|
|
«Подобно тому, как телескоп «Уэбб» изменил наше понимание далёких галактик с высоким красным смещением, обсерватория «Роман» готова изменить наше понимание транзиентных явлений с высоким красным смещением», — сказал Гезари.
|
|
|
|
Источник
|
