В последние годы астрономические наблюдения показали, что уже в самой ранней Вселенной сверхмассивные черные дыры были слишком массивны, чтобы какие-то известные и понятные механизмы могли «дорастить» их до столь больших размеров. Авторы новой научной работы попробовали решить парадокс, комбинируя разные способы роста этих объектов.
Квазар J0313-1806 — окрестности сверхмассивной черной дыры, подсвеченные массивным аккреционным диском материи, падающей в дыру. Подобные черные дыры относятся к «невозможным»: они слишком массивны для ранней Вселенной, просто не могли успеть набрать такую массу. И все же, они существуют / © Wikimedia Commons
На протяжении десятков лет астрофизикам казалось, что ситуация со сверхмассивными черными дырами более-менее понятна. Сперва из коллапса массивной звезды возникает черная дыра звездных масс — не более десятков масс Солнца. Затем она поглощает газ и пыль, сливается с другими и в итоге образует сверхмассивные черные дыры, которые находятся в центре практически каждой известной галактики и играют роль «центра притяжения», ускоряющего эволюцию галактик в целом.
Однако в последние годы слишком многие открытия перестали совмещаться с этой картиной. Оказалось, уже через 600 миллионов лет после Большого взрыва существовали сверхмассивные черные дыры в 1,6 миллиарда масс Солнца (на картинке выше). Никакие мыслимые скорости роста черных дыр звездной массы не позволяют им «потолстеть» в 100 миллионов раз всего за 600-700 миллионов лет.
Особенно усложняло проблему то, что в первые сотни миллионов лет во Вселенной (до конца «темной эпохи») даже звезды не могли возникать с высокой скоростью, что уж тут говорить о черных дырах — финальной стадии эволюции массивных светил. Усугубило ситуацию обнаружение и таких галактик, где на сверхмассивную черную дыру приходилась не одна тысячная массы всей галактики, а одна сотая, десятая или даже одна вторая. Совершенно непонятно, почему в одних галактиках черные дыры росли скромно, а в других поглощали до половины всей ее массы.
Теперь исследователи из Университета штата Пенсильвания (США) попробовали объединить наблюдения космического рентгеновского телескопа «Чандра» за 8000 черных дыр с суперкомпьютерным моделированием процессов роста черных дыр (известным как IllustrisTNG).
«Чандру» выбрали потому, что при быстрой аккреции материи черной дырой вещество в аккреционном диске начинает светиться в рентгеновском диапазоне. Одна из работ научной группы уже вышла, вторая еще не опубликована, но ее тезисы ученые представили на 244-м собрании Американского астрономического общества.
Авторы поставили себе целью выяснить, какой механизм роста сверхмассивных черных дыр — аккреция газа и пыли или слияние с другими черными дырами — основной. Для этого они заложили в систему моделирования данные от рентгеновского телескопа и затем смотрели, какие компьютерные симуляции совместимы с такими наблюдательными данными.
Выяснилось, что почти весь рост сверхмассивных черных дыр состоялся в очень древнюю эпоху. Семь миллиардов лет назад Вселенная имела примерно то же их число, что и сегодня. Причем к тому моменту наиболее массивные черные дыры уже набрали практически всю свою массу.
Самый активный рост таких дыр пришелся как раз на эпоху максимальной рентгеновской светимости их окрестностей — получается, основным источником массы было поглощение относительно холодного межзвездного газа в центральных областях их галактик. Слияния стали играть заметную роль только в последние пять миллиардов лет, когда основная эпоха роста явно осталась позади.
Это не значит, что слияния не были важны: для тех черных дыр, что «опоздали» к ключевой эпохе роста, они часто играют большую роль. Просто подобных черных дыр не столь много. Кстати, сверхмассивная дыра в центре Млечного Пути оказалась из относительно «отставших в развитии»: ее рост пришелся на сравнительно позднюю эпоху. Возможно, в этом причина того, что она достигла лишь четырех миллионов солнечных масс, а не миллиардов, как многие другие.
Хотя астрономы внесли ясность в наблюдаемую часть истории со сверхмассивными черными дырами, они не сняли главный вопрос. Как именно стали возможны многочисленные и очень массивные черные дыры в самой ранней Вселенной?
Комментарии
Комментарий удален пользователем или модератором...
Виктор, ну немного преувеличиваете. История будет вот только писаться будет страусиными перьями а то и вовсе клинописью.
А можно попросить ссылку на работу?
Knight, вторая работа еще не вышла, она в процессе публикации. Ссылка на видео, где излагают ее содержание в новости выше есть.
Если вас интересует первая из работ, вышедшая еще весной, то она вот здесь: https://iopscience.iop.org/article/10.3847/1538-4357/ad27cc
Александр, премного благодарен
А если это были остатки черных дыр из предыдущего цикла жизни вселенной?
Виталий, ну, они сами вряд ли, а вот их "семена" из прошлых циклов -- да, такое не исключено: https://library.csu.ru/ru/rbooks2/view2?code=texts/38158/38158
"Как именно стали возможны многочисленные и очень массивные черные дыры в самой ранней Вселенной?" - такое ощущуение, что напрочь не учитывается аккреция на дыру темной материи, которая в ту пору была гораздо гуще.
Sam, если исходить из наиболее популярного определения темной материи как неких частиц, не участвующих ни в каких взаимодействиях, кроме гравитационного, то там и аккреции не должно быть. Т.е. такая частица окажется в ЧД, только если угодит под горизонт событий, который относительно невелик. Нагреваться, излучать и тормозить у ЧД такой темной материи вроде как не с чего.
Sam, чтобы учитывать аккрецию темной материи на черную дыру, нужно чтобы ТМ имела хоть какие-то облака. В рамках теории вимпов никаких облаков она не образует, гало из ТМ сравнительно равномерного распределения.
Ну, и потом, идея о том. что темная материя состоит из частиц в последние годы столкнулась с неразрешимыми сложностями -- скопление Пули, например, где нет признаков трения частиц ТМ друг о друга -- поэтому сейчас практически нет серьезных физиков, ждущих, что ТМ реально состоит из частиц. Это в научпопе еще модные представления, но в науке уже нет.
Александр, а где я говорю о частицах темной материи? ЭМИ, кванты света - и те затягиваются в ЧД. Чем бы там ни была ТМ, массу ЧД она вполне могла бы приумножать до искомых величин.
А почему в статье ни слова о первичных ЧД?
Как говорил Шерлок Холмс - "отбросьте все невозможное; то, что останется, и будет ответом, каким бы невероятным он ни казался".
Zhe, главная причина, по которой в статье не говорится о первичных ЧД в том, что никаких непротивречивых механизмов их образования, да еще и так, чтобы это было совместимо с астрономическими наблюдениями (кроме "реликтового", у Горькавого) пока никто не предложил.