|
Среда формирования первых чёрных дыр
|
|
|
|
Когда космический телескоп «Джеймс Уэбб» направил свои мощные инструменты на раннюю Вселенную, учёные были удивлены полученными данными. При высоких значениях красного смещения (z), соответствующих периоду менее 1 миллиарда лет после Большого взрыва, астрономы обнаружили множество галактик, в которых находились так называемые «зародыши» сверхмассивных чёрных дыр (СМЧД).
|
|
|
|
Существование таких массивных чёрных дыр на столь раннем этапе развития Вселенной поставило под сомнение существующие модели формирования чёрных дыр, согласно которым в конце своей жизни звёзды коллапсируют, превращаясь в чёрные дыры, которые постепенно объединяются, образуя СМЧД.
|
|
|
|
Это заставило астрономов рассмотреть альтернативную гипотезу, согласно которой массивные облака холодного газа сливались в центрах ранних галактик и коллапсировали, образуя чёрные дыры. Этот сценарий получил название «прямое коллапсирование чёрных дыр» (direct-collapse black hole, DCBH). Однако остаётся много вопросов о среде, в которой формировались эти DCBH.
|
|
|
|
Чтобы ответить на них, международная группа астрономов изучила, как слияния тёмной материи и области пространства, заполненные огромным количеством газа, пыли и звёзд (космические сверхплотности), являются благоприятной средой для формирования «зародышей» СМЧД.
|
|
|
|
|
|
|
Исследованием руководил Алессандро Тринка, научный сотрудник Института астрономии Эдинбургского университета и Королевской обсерватории. К нему присоединились исследователи из Центра астрофизики озера Комо, Астрономической обсерватории INAF в Риме, обсерватории астрофизики и научных исследований INAF в Болонье, Института науки и технологий Австрии (ISTA), Института астрофизики, Школы перспективных исследований Sapienza и нескольких университетов.
|
|
|
|
Статья, описывающая их работу, опубликована в Monthly Notices Королевского астрономического общества.
|
|
|
|
Центральное место в работе команды занимает концепция деревьев слияния темной материи (DM). В рамках космологической модели лямбда-холодной темной материи (Лямбда - CDM) предполагается, что ореолы DM образовались в результате слияния меньших скоплений. Это похоже на более ранние теории образования сверхмассивных галактик, которые предполагали, что они образовались в результате слияния черных дыр меньшей звездной массы и черных дыр средней массы.
|
|
|
|
Команда объединила моделирование этих деревьев в N телах с высоким разрешением и полуаналитическую модель образования черных дыр и совместной эволюции галактик.
|
|
|
|
История слияния ореолов была смоделирована с помощью программного обеспечения cosmological zoom-in, основанного на коде, основанном на частицах GIZMO. Затем с помощью инструмента Cosmic Archaeology Tool (CAT) — полуаналитической модели, используемой для интерпретации свойств наблюдаемых источников с высоким красным смещением и проверки различных сценариев эволюции черных дыр на соответствие наблюдениям, — было проведено моделирование барионной (также известной как «видимая») материи во всех гало-галоидах-прародителях.
|
|
|
|
По словам авторов исследования, «это позволило нам проследить за распространением, пространственным распределением и условиями окружающей среды гало-галоидов, способных образовывать сверхмассивные черные дыры прямого коллапса, в течение космического времени, а также выяснить, как эти тенденции зависят от конкретных физических условий, необходимых для образования массивных первичных черных дыр... Опираясь на полученные данные, мы сосредоточились на прогнозировании наблюдаемых характеристик популяции потомков сверхмассивных черных дыр прямого коллапса, которые, как ожидается, будут находиться вблизи квазаров с высоким красным смещением на расстоянии z ~7 (12,9 миллиарда лет назад)».
|
|
|
|
Результаты показали, что массивные первичные черные дыры могли образоваться в результате прямого коллапса уже 13,64 миллиарда лет назад (менее чем через 500 миллионов лет после Большого взрыва). Этот процесс продолжался примерно до 13,5–13,4 миллиарда лет назад, после чего обогащение межгалактической среды (МГС) металлами, вызванное взрывами сверхновых самых ранних звезд населения III, должно было препятствовать дальнейшим эпизодам прямого коллапса. Эти результаты подтверждают гипотезу о существовании сверхмассивных черных дыр прямого коллапса и открывают возможности для будущих исследований с помощью телескопа «Джеймс Уэбб».
|
|
|
|
«Наши результаты дают теоретическую основу для проверки условий, способствующих образованию массивных черных дыр, и позволяют оценить роль прямого коллапса как одного из путей формирования популяции сверхмассивных черных дыр, наблюдаемых при очень высоком красном смещении.
|
|
|
|
Возможное обнаружение в ходе будущих исследований большого количества квазаров-компаньонов, сопровождающих активные ядра галактик, станет убедительным доказательством того, что формирование массивных черных дыр на ранних этапах происходит преимущественно в сильно сколоченных сверхплотных средах, а количество прогнозируемых здесь обнаруживаемых систем станет конкретным ориентиром для предстоящих наблюдательных кампаний».
|
|
|
|
Источник
|
