Вначале Вселенная состояла только из первичного газа. Каким-то образом часть из них попала в сверхмассивные черные дыры (СМЧД), гигантские сингулярности в сердце галактик. Детали того, как это произошло и как сверхмассивные черные дыры накапливают массу, являются одними из самых больших вопросов астрофизики.
Исследования черных дыр достигли значительного прогресса в 2019 году, когда телескоп Event Horizon сделал первое изображение черной дыры. Эта СМЧД находилась в Мессье 87, сверхгигантской эллиптической галактике на расстоянии более 50 миллионов световых лет от Земли. Каким бы захватывающим ни было это достижение, оно не ответило на наши давние вопросы о том, как эти объекты стали такими массивными.
Ученым известно, что рост небольших скоплений черных галактик контролируется двумя основными процессами: они накапливают холодный газ из родительской галактики и сливаются во время столкновений галактик.
Однако есть некоторые загадочные вопросы, остающиеся без ответа. Один из них касается его происхождения. Мы можем видеть, как СМЧД накапливают материю, но скорость, с которой они набирают массу, не может объяснить их размер. Некоторые из них в миллиарды раз массивнее Солнца. Был ли какой-то скачок роста сверхмассивных черных дыр в ранние времена существования Вселенной?
А как насчет черных дыр промежуточной массы (ЧДД)? Являются ли эти неуловимые объекты, которые могут находиться в центре шаровых скоплений, ступеньками на пути к сверхмассивным черным дырам?
Джеты черных дыр также являются загадкой. Эти струи чрезвычайно мощны и разгоняют материю до экстремальных скоростей. Астрофизики понимают основы того, как СМЧД создают эти джеты. Но эти струи могут достигать релятивистских скоростей, и как они это делают, неясно.
Поскольку сверхмассивные черные дыры очень трудно наблюдать в деталях, ученые полагаются на теории, чтобы объяснить их. Со временем они пытаются усовершенствовать свои теории. Но иногда, когда наша наблюдательность возрастает, наши теории не согласуются с нашими наблюдениями. Это относится и к аккреционным дискам вокруг СМЧД. Хотя теория предполагает, что эти ломтики должны быть плоскими, как блины, наблюдения показывают, что они раздуваются.
Здесь в игру вступают симуляции.
Детальное моделирование — один из лучших инструментов астрофизиков для понимания сверхмассивных чёрных дыр. Новое исследование, опубликованное в Открытом журнале астрофизики, изучает аккреционные диски вокруг СМЧД с помощью моделирования. Эти диски являются резервуарами газа, которые способствуют росту СМЧД. Исследование называется «FORGE'd in FIRE: определение окончания звездообразования и структуры аккреционных дисков AGN на основе космологических начальных условий». Ведущий автор — Филип Хопкинс, профессор теоретической астрофизики Калифорнийского технологического института.
«Наша новая симуляция знаменует собой кульминацию нескольких лет работы двух крупных коллабораций, которые начались здесь, в Калифорнийском технологическом институте», — сказал ведущий автор Хопкинс в пресс-релизе.
Хопкинс рассказывает о FIRE (обратная связь в реалистичной среде) и STARFORGE (звездообразование в газообразной среде). STARFORGE — это небольшой симулятор, в котором основное внимание уделяется тому, как отдельные звезды формируются в облаках газа, называемых молекулярными облаками. FIRE фокусируется на формировании галактик, включая такие вещи, как обратная связь и вымирание черных дыр.
FIRE и STARFORGE находятся на противоположных концах спектра, и новая работа заполняет пробел между ними.
«Но между ними был большой разрыв», — объясняет Хопкинс. «Теперь мы впервые преодолели этот разрыв».
«Недавно стало возможным перейти от космологических масштабов к масштабам суб-ПК при моделировании галактик, чтобы отслеживать аккрецию на сверхмассивные черные дыры (СМЧД)», — пишут авторы в своем исследовании. «Однако в какой-то момент приближения, используемые в масштабах МЗМ (например, оптически тонкое охлаждение и звездообразование, интегрированное в звездное население) [SF] и обратная связь [FB]) срывать.»
Физика, лежащая в основе мелкомасштабной аккреции, отличается от физики, лежащей в основе крупномасштабной аккреции. «Ни в коем случае не ясно, что физически происходит, когда физические явления, наиболее важные в разных масштабах, перекрываются», — пишут исследователи.
Крупномасштабное моделирование опирается на такие вещи, как коллективные эффекты целого звездного населения и начальную функцию масс. Мелкомасштабное моделирование основано на таких вещах, как образование отдельных протозвезд и звездных ветров отдельных звезд. В еще меньшем масштабе моделирование фокусируется на отдельных аспектах аккреционных дисков вокруг сверхмассивных черных дыр.
«По этой причине в настоящее время не существует моделирования, которое могло бы охватить все три области одновременно и последовательно», — объясняют Хопкинс и его соавторы.
Ликвидировать этот разрыв было делом непростым. Хопкинсу и его коллегам требовалось моделирование с гораздо более высоким разрешением. Разрешение должно было быть более чем в 1000 раз выше, чем у предыдущего лучшего симулятора.
«Это позволяет нам охватить масштабы от 100 Мпк до менее 100 а.е. (около 300 радиусов Шварцшильда) вокруг СМЧД в одном моделировании, когда она аккрецируется в яркий квазар», — объясняют исследователи в своей статье.
Их моделирование преподнесло сюрприз: они показали, что магнитные силы в аккреционных дисках СМЧД играют большую роль, чем ожидалось.
Теория показывает, что вращающиеся аккреционные диски вокруг СМЧД должны быть плоскими, как блины. Это происходит из-за сохранения углового момента и сил вязкости в диске, которые распределяют импульс и удерживают диск плоским. Однако наши теории не согласуются с наблюдениями.
«Наши теории говорили нам, что ломтики должны быть плоскими, как блины», — говорит Хопкинс. «Но мы знали, что это неправда, потому что астрономические наблюдения показали, что ломтики на самом деле воздушные и больше похожи на бисквит. Наше моделирование помогло нам понять, что магнитные поля поддерживают материал диска и делают его более рыхлым».
Сверхмассивные черные дыры имеют разные уровни активности. Когда они активно накапливают много материала, они чрезвычайно светятся и излучают свет во всем электромагнитном спектре. В этом случае их называют квазарами, а их световой поток может превышать световой поток целой галактики размером с Млечный Путь.
Квазары обладают огромной мощью, и астрофизики стремятся понять, как работают диски вокруг этих сверхмассивных черных дыр. Эти исследователи использовали свои симуляции для достижения того, что они называют «супермасштабированием». Чтобы это работало в нескольких масштабах, моделирование должно включать в себя всевозможные формулы, управляющие вещами, от простой гравитации до темной материи. Эти вещи должны рассчитываться параллельно и влиять друг на друга.
«Если вы просто говорите, что гравитация тянет все вниз, и газ в конечном итоге образует звезду, а звезды группируются вместе, вы совершенно ошибаетесь», — объясняет Хопкинс. Звезды – сложные объекты. У них звездный ветер. Рядом с ними можно топить газ. Некоторые из них маленькие и темные и существуют триллионы лет. Некоторые из них массивны и горячи и в конце своей короткой жизни взрываются как сверхновые. Природа чрезвычайно сложна, и это известно большинству людей, интересующихся астрономией.
Создание модели, способной учитывать все детали в различных масштабах, является чрезвычайно сложной задачей.
«Были некоторые коды, которые содержали физические данные, необходимые для решения мелкомасштабной части проблемы, и некоторые коды, которые содержали физические данные, необходимые для решения более крупной, космологической части проблемы, но не тот, который содержал бы и то, и другое», говорит Хопкинс.
Работа команды привела к моделированию СМЧД в ранней Вселенной с десятками миллионов солнечных масс. Оно приближается, когда огромный поток звездообразующего газа вырывается из облака в аккреционный диск, кружащийся вокруг черной дыры. Он приближается все ближе и ближе по мере того, как газ приближается к отверстию.
«В нашей модели мы видим, как аккреционный диск формируется вокруг черной дыры», — говорит Хопкинс. «Мы были бы очень рады, если бы только что увидели этот аккреционный диск, но что нас действительно удивило, так это то, что смоделированный диск выглядит совсем не так, как мы представляли себе на протяжении десятилетий».
Теория черных дыр восходит к 1970-м годам и показывает, что тепловое давление является доминирующей силой в аккреционных дисках сверхмассивных черных дыр. Эти теории показывают, что тепловое давление предотвращает коллапс дисков под действием чрезвычайной силы тяжести СМЧД. Магнитные поля играли меньшую роль.
Но эти симуляции доказывают обратное. Они показывают, что магнитное давление на диск примерно в 10 000 раз сильнее теплового давления газа.
«Таким образом, диски почти полностью контролируются магнитными полями», — говорит Хопкинс. «Магнитные поля выполняют множество функций, одна из которых — поддерживать диски и делать материал громоздким».
Этот результат многое меняет.
«Мы показываем, что магнитные поля имеют решающее значение для широкого спектра эффектов на масштабах менее ПК внутри аккреционного диска. «Они варьируются от поддержания эффективных крутящих моментов и высоких скоростей притока до объяснения масштабных высот и вертикальных профилей структуры диска, внешнего размера/предела аккреционного диска и, возможно, наиболее важно, подавления звездообразования на уровне ниже ПК. масштабы», — пишут авторы.
Диск может образоваться и без магнитного поля, но все обстоит совершенно по-другому. Диск будет на порядок или более меньше, чем одиночный полевой диск. Скорость аккреции на диске может быть более чем в 100 раз ниже, и диск может расколоться и образовать звезды.
Это только начало симуляций команды. Планируют опубликовать еще две статьи из серии. В этих статьях они сосредоточатся на дальнейших деталях, таких как звездообразование и начальная функция масс во внутренней области вокруг аккреционных дисков квазаров.
