Интересные факты

Обнуляем представление: новая модель рождения сверхмассивных черных дыр

Сверхмассивные черные дыры — объекты, в сотни миллионов или даже миллиардов один массивнее обычной звезды, — пожалуй, самые загадочные объекты современной астрофизики. Они скрываются в сердцах большинства крупных галактик, включая и наш Млечный Линия. Учитывая их вездесущность, эти черные дыры могут резаться жизненно важную роль в формировании и эволюции Вселенной. Однако как они стали так массивными — этот вопрос до сих пор беспокоит теоретиков итого мира.

Самое разумное гипотеза — что эти чудовища смогли вытянуться настолько, только лишь поглощая огромные количества газа в течение миллиардов лет — ныне опровергнуто. Последние наблюдения показали существование черных дыр, которые были в миллиарды один массивнее Солнца уже чрез 800 миллионов лет после Большого Взрыва. И опять вопрос: как они растолстели так быстро? Большинство астрофизиков сходятся во мнении, что сверхмассивные черные дыры должны были вылупиться из небольших «семян» черных дыр. Попросту не совсем понятно, как скромным должно быть такое семя. Одна школа мысли считает, что семенные черные дыры должны быть большими — тысячи или десятки тысяч солнечных масс; другая — что семена могут быть небольшими — не больше сотни солнечных масс.

Оба лагеря должны будто-то обуздать тот факт, что черные дыры — это прожорливые едоки. Гравитация может стягивать газ ровно до того момента, покамест вокруг черной дыры не начнет накапливаться вещество, образуя белоснежный горячий диск, излучающий интенсивную радиацию и отталкивающий приходящий газ, таким образом отрезая поставки продовольствия. Это называется пределом Эддингтона. Считается, что он всерьез снижает скорость, с которой черная прореха может поглощать вещество и вырастать. Преимущество моделей, использующих небольшие семена, в том, что такие полусредние черные дыры довольно легко изготовить; недостаток же в том, что для быстрого превращения в сверхмассивные черные дыры они должны миновать предел Эддингтона и, полагаясь на различные возможные исключения, обходить его ограничения. Модели с большим семенем, визави, соблюдают предел, предоставляя сверхмассивным черным дырам рослый старт, чтобы они могли сожрать будто можно больше газа, прежде чем достигнут предела — однако более крупные семена сложнее и сделать. Гигантские облака газа, какой может коллапсировать с образованием больших семян, может также распадаться на небольшие клочки, образуя скопления звезд, а не большие черные дыры.

Самостоятельно от того, выступаете вы за большие или маленькие семена, «было немало теорий, которые пытаются разъяснить существование или сборку сверхмассивных черных дыр, однако ни одна из них не предложила естественного решения», говорит Наоки Йошида, астрофизик Токийского университета. Йошида является сторонником больших семян, а также соавтором статьи, опубликованной на прошлой неделе в журнале Science. В ней он рассказал, будто сверхмассивные черные дыры сформировали неожиданно большую популяцию оных в юной Вселенной. Его «естественное решение» предполагает высокоскоростные потоки газа, текущие чрез Вселенную после Большого Взрыва и выступающие важным катализатором. В частности, оно полагается на предполагаемое взаимодействие между гамильтонианом и темной материей — таинственным невидимым веществом, которое, по-видимому, действует будто гравитационный клей для галактик.

Выращивая черную дыру

Совместно с коллегами в Техасском университете в Остине и Университете Тюбингена в Германии Йошида использовал компьютерные симуляции для воссоздания условий в ранней Вселенной, задав космологические параметры, вроде плотности темной материи, которые астрономы вычислили, измеряя состав ранней Вселенной.

«Мы попытались воспроизвести это изначальное состояние будто можно ближе к реальным наблюдениям», говорит Йошида, «и дали Вселенной пора на развитие».

Согласно моделированиям ученых, в некоторых частях Вселенной гравитация темной материи могла захватывать скоро движущиеся потоки первичного водорода и гелия, оставшихся после Большого Взрыва. Чуть позже, будто выяснили ученые, эти первые газы разгонялись в некоторых областях до диких скоростей — становились «быстрым ветром», будто говорит Йошида. «Вы должны воображать, насколько трудно поймать газ, какой очень быстро движется», говорит Йошида. Подставьте руку под пожарный рукав — и вода мгновенно отобьет ее. «Единственный способ застопорить этот сильный ветер — применить довольно сильную гравитацию», говорит он. Ученые подсчитали, что на каждые три миллиарда световых лет в ранней Вселенной было довольно темной материи, чтобы ее гравитация могла завладеть такой ветер — будто устремить течение реки вспять. Это притяжение между газом и темной материей создало большое газовое облако и не дало сформироваться небольшим звездам на пути.

Похожие новости  Как дела у Tesla с производством Model 3?

Смоделированное газовое облако затем коллапсировало в массивную звезду, которая продолжала вбирать больше газа, пока не достигла 34 000 солнечных масс. Эта необычайно массивная гипотетическая звезда могла достигнуть такой величины только в том случае, если бы состояла из чистых водорода с гелием — двух элементарных газов, которые кружили в ранней Вселенной до того, будто первые звезды стали сверхновыми, из которых впоследствии вышли тяжелые элементы — углерод, азот, кислород. Подобные идеи высказывались и ранее, однако рабочую модель представили впервой.

«Наше компьютерное моделирование показало, что такого рода явления подлинно случаются, а такие большие звезды подлинно могут сформироваться», говорит Йошида. Набрав гигантскую массу, звезда наконец коллапсирует и становится семенем для сверхмассивной черной дыры. Йошида считает решение окончательным и естественным. Однако не всякий с ним согласится.

Ответ неплохой, но…

Другие ученые, которые вполне одобряют гипотезу с большими семенами, иначе видят изначальное формирование этих семян. Недавно опубликованное изыскание в Nature Astronomy, например, предполагает, что такие семена формируются не в процессе странных движений темной материи, а скорее из-за поведения обычных звезд в галактиках. По такому сценарию мощные всплески ультрафиолетового света в процессе бурного образования звезд в юной галактике неподалеку будут мешать формированию звезд в гигантском газовом облаке, этак что оно будет оставаться пустым довольно долго, чтобы в конечном итоге коллапсировать в черную дыру с массой до 100 000 солнечных.

Джон Вайс, астрофизик Технологического института Джорджии и соавтор исследования в Nature Astronomy, считает, что эта новая труд будет важным шагом вперед в этой области, потому что Йошида и его коллеги первыми смоделировали последствия движений первого газа для формирования сверхмассивных черных дыр. Однако он говорит, что их теория не отрицает его собственной.

«Я думаю, кушать много способов сформировать сверхмассивную черную дыру», говорит он. «Это лишь одинешенек из них, вполне возможный». При этом он добавляет, что найти так быстро движущиеся газы в ранней Вселенной было бы нелегко. Шансы наткнуться на такие ветры в ранней Вселенной, по мнению Йошиды, составляют порядка 0,3%. Однако и гигантские газовые облака, соседствующие с юными фабриками по производству звезд, тоже будут редкостью, считает ученый. «Даже не знаю, какова вероятность такого события», говорит Йошида.

Грег Брайан, астрофизик Колумбийского университета и основной автор работы в Nature Astronomy, высоко оценивает новые результаты. «Это не решительный ответ, но пока он лучше итого подходит для этого конкретного режима формирования черных дыр», говорит он. Его также беспокоит, как близко такое моделирование к формированию небольших звезд. Чтоб сформировалась черная дыра, первые газы должны были скопиться в очень небольшой области, чего могло бы и не случиться, если бы они оказались разбитыми небольшими скоплениями звезд. Если немножко изменить условия моделирования, массивное семя не образуется. «С иной стороны, мне нравится их модель, я ей верю», добавляет Брайан.

Фульвио Мелиа, астрофизик Аризонского университета, не в восторге от этой теории. «Авторы полагаются на кучу неизвестной физики, будто все другие предположения о формировании массивных семян или быстром росте подобных объектов», говорит он. «Им стоило бы сделать конкретные предположения о поведении темной материи, однако мы ведь даже не знаем, что она такое».

Семя сомнения

Чтобы окончательно отозваться на вопрос о том, будто появляются эти массивные звери, ученые указывают на будущую возможность наблюдения этих «семян» в ранней Вселенной с использованием телескопов следующего поколения. Такая возможность представится в скором времени. Уже выдвинуто несколько инициатив, так, миссия ЕКА ATHENA, которая готовится к запуску в 2028 году и сможет ухватить рентгеновские выбросы этих сверхмассивных гигантов. Вот-вот заработает космический телескоп Джеймса Вебба, какой займется изучением первых звезд и галактик Вселенной.

«Интересно то, что эти идеи можно будет проверить уже в следующие пару лет, потому что люд займутся поиском этих объектов по всему небу», говорит Мелиа.

Hi-News.ru — Новости высоких технологий.

Добавить комментарий