Изображение предоставлено: Pixabay/CC0 Public Domain
Сверхмассивные черные дыры являются одними из самых впечатляющих (и самых страшных) объектов во Вселенной — их масса примерно в миллиард раз превышает солнечную. И мы знаем, что они существуют уже давно.
Фактически, астрономы обнаружили чрезвычайно яркие компактные источники, расположенные в центрах галактик, известных как квазары (быстро растущие сверхмассивные черные дыры), когда Вселенной было менее 1 миллиарда лет.
Теперь наше новое исследование, опубликованное в The Astrophysical Journal Letters, использовало наблюдения космического телескопа Хаббла, чтобы показать, что в ранней Вселенной было гораздо больше (гораздо менее ярких) черных дыр, чем предполагалось в предыдущих оценках. Интересно, что это может помочь нам понять, как они образовались и почему многие из них кажутся более массивными, чем ожидалось.
Черные дыры растут, поглощая окружающий материал. Этот процесс называется аккрецией. Это создает огромное количество радиации. Давление этого излучения фундаментально ограничивает скорость роста черных дыр.
Поэтому ученые столкнулись с проблемой объяснения этих ранних массивных квазаров: поскольку у них не было много космического времени на питание, они либо должны были расти быстрее, чем это физически возможно, либо родиться на удивление массивными.
Легкие и тяжелые семена
Но как на самом деле образуются черные дыры? Есть несколько вариантов. Во-первых, так называемые первичные черные дыры существовали вскоре после Большого взрыва. Хотя это правдоподобно для черных дыр малой массы, согласно Стандартной модели космологии, большие черные дыры не могли образоваться в значительных количествах.
Черные дыры определенно могут образовываться на заключительных стадиях короткой жизни некоторых нормальных массивных звезд (что теперь подтверждено гравитационно-волновой астрономией). Такие черные дыры в принципе могли бы быстро расти, если бы они образовывались в чрезвычайно плотные звездные скопления, в которых звезды и черные дыры могли бы сливаться. Именно эти «ядра звездной массы» черных дыр должны были бы расти слишком быстро.
Альтернатива состоит в том, что они могли образоваться из «тяжелых семян» с массой примерно в 1000 раз большей, чем известные массивные звезды. Одним из таких механизмов является «прямой коллапс», при котором ранние структуры неизвестного невидимого вещества, известного как темная материя, улавливают облака газа, в то время как фоновое излучение не позволяет им образовывать звезды. Вместо этого они превратились в черные дыры.
Проблема в том, что лишь небольшая часть гало темной материи становится достаточно большой, чтобы образовать такие ядра. Так что это объяснение только в том случае, если ранние черные дыры достаточно редки.
Слишком много черных дыр
В течение многих лет мы имели хорошее представление о том, сколько галактик существовало в первый миллиард лет космического времени. Однако поиск черных дыр в этих средах был чрезвычайно затруднен (удавалось обнаружить только светящиеся квазары).
Хотя черные дыры растут, поглощая окружающий материал, они не делают это с постоянной скоростью — они делят потребляемую пищу на «приемы», в результате чего их яркость меняется с течением времени. Мы отслеживали некоторые из самых ранних галактик на предмет изменений яркости в течение 15-летнего периода и использовали их для нового подсчета количества черных дыр там.
Оказывается, в обычных ранних галактиках черных дыр во много раз больше, чем мы думали изначально.
Другая недавняя новаторская работа с космическим телескопом Джеймса Уэбба (JSTW) привела к аналогичным выводам. В целом у нас больше черных дыр, чем может быть создано путем прямого коллапса.
Есть еще один, более экзотический способ образования черных дыр, которые могут производить как массивные, так и обильные семена. Звезды образуются в результате гравитационного сжатия газовых облаков: если значительное количество частиц темной материи удастся захватить во время фазы сжатия, внутренняя структура может быть полностью изменена – и ядерное возгорание можно будет предотвратить.
Таким образом, рост может длиться во много раз дольше, чем типичное время жизни обычной звезды, что позволило бы им стать гораздо более массивными. Но, как и обычные звезды и непосредственно коллапсирующие объекты, в конечном итоге ничто не может противостоять подавляющей силе гравитации. Это означает, что эти «темные звезды» также должны в конечном итоге схлопнуться и образовать массивные черные дыры.
Теперь мы полагаем, что подобные процессы должны были произойти при образовании большого количества черных дыр, которые мы наблюдаем в ранней Вселенной.
Планы на будущее
Изучение формирования ранних черных дыр за последние два года претерпело изменения, но в некотором смысле эта область только начинается.
Новые обсерватории в космосе, такие как миссия «Евклид» или космический телескоп «Роман Нэнси Грейс», пополнят наш ранний подсчет более слабых квазаров. Миссия NewAthena и массив квадратных километров в Австралии и Южной Африке расширят наше понимание многих процессов, связанных с ранними черными дырами.
Но на самом деле нам нужно следить за JWST в краткосрочной перспективе. Учитывая его чувствительность к визуализации и мониторингу, а также его спектроскопические возможности для наблюдения за активностью очень слабых черных дыр, мы ожидаем, что количество черных дыр станет по-настоящему очевидным в ближайшие пять лет, когда сформируются первые галактики.
Мы могли бы даже стать свидетелями образования черных дыр, наблюдая за взрывами, которые сопровождают коллапс первых нетронутых звезд. Модели говорят, что это возможно, но это потребует скоординированных и целеустремленных усилий астрономов.
Информация от: Разговором
