|
В ранней Вселенной было больше черных дыр
|
|
|
|
Сверхмассивные черные дыры — одни из самых впечатляющих (и пугающих) объектов во Вселенной, их масса примерно в 1 миллиард раз превышает массу Солнца. И мы знаем, что они существуют уже давно.
|
|
|
|
На самом деле астрономы обнаружили чрезвычайно яркие компактные источники, расположенные в центрах галактик, известные как квазары (быстрорастущие сверхмассивные черные дыры), когда Вселенной было менее 1 миллиарда лет.
|
|
|
|
Теперь наше новое исследование, опубликованное в журнале Astrophysical Journal Letters, использовало наблюдения космического телескопа Хаббла, чтобы показать, что в ранней Вселенной было гораздо больше (гораздо менее светящихся) черных дыр, чем предполагалось по предыдущим оценкам. 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 их материал, в процессе, известном как аккреция. Это приводит к образованию огромного количества излучения. Давление, создаваемое этим излучением, существенно ограничивает скорость роста черных дыр.
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, ученые столкнулись с проблемой, связанной с объяснением этих ранних массивных квазаров: поскольку у них не было достаточного космического времени для питания, они, должно быть, либо росли быстрее, чем это физически возможно, либо родились на удивление массивными.
|
|
|
|
Легкие семена против тяжелых
|
|
|
|
Но как вообще образуются черные дыры? Существует несколько версий. Первая заключается в том, что так называемые первичные черные дыры существовали вскоре после большого взрыва. Хотя это вполне вероятно для черных дыр с низкой массой, массивные черные дыры не могли образоваться в значительном количестве в соответствии со стандартной космологической моделью.
|
|
|
|
Черные дыры определенно могут образовываться (что теперь подтверждено гравитационно-волновой астрономией) на заключительных этапах короткой жизни некоторых обычных массивных звезд. Такие черные дыры в принципе могут быстро расти, если образуются в чрезвычайно плотных звездных скоплениях, где звезды и черные дыры могут сливаться. Именно эти "семена звездной массы" черных дыр должны были бы расти слишком быстро.
|
|
|
|
Альтернативой является то, что они могли образоваться из "тяжелых зародышей", масса которых примерно в 1000 раз превышает массу известных массивных звезд. Одним из таких механизмов является "прямой коллапс", при котором ранние структуры неизвестной, невидимой субстанции, известной как темная материя, удерживали газовые облака, в то время как фоновое излучение мешало им образовывать звезды. Вместо этого они коллапсировали в черные дыры.
|
|
|
|
Проблема в том, что лишь малая часть ореолов темной материи становится достаточно большой, чтобы образовать такие зародыши. Таким образом, это может служить объяснением только в том случае, если ранние черные дыры достаточно редки.
|
|
Слишком много черных дыр
|
|
|
|
В течение многих лет у нас была хорошая картина того, сколько галактик существовало в течение первого миллиарда лет космического времени. Но найти черные дыры в этих средах было чрезвычайно сложно (удалось доказать существование только светящихся квазаров).
|
|
|
|
Хотя черные дыры растут, поглощая окружающий материал, это происходит не с постоянной скоростью — они распределяют свое питание на "порции", что приводит к изменению их яркости с течением времени. Мы наблюдали за изменениями яркости некоторых из самых ранних галактик в течение 15-летнего периода и использовали это для проведения новой переписи количества черных дыр в мире.
|
|
|
|
Оказывается, в обычных ранних галактиках находится в несколько раз больше черных дыр, чем мы первоначально предполагали.
|
|
|
|
В ходе другой недавней новаторской работы с космическим телескопом Джеймса Уэбба (JSTW) были сделаны аналогичные выводы. В общей сложности у нас больше черных дыр, чем может образоваться в результате прямого коллапса.
|
|
|
|
Существует другой, более экзотический способ образования черных дыр, который может привести к образованию массивных и многочисленных зародышей. Звезды образуются в результате гравитационного сжатия газовых облаков: если во время фазы сжатия удастся захватить значительное количество частиц темной материи, то внутренняя структура может быть полностью изменена и предотвращено ядерное воспламенение.
|
|
|
|
Таким образом, рост может продолжаться во много раз дольше, чем обычно длится жизнь обычных звезд, что позволяет им становиться намного массивнее. Однако, как и обычные звезды, так и объекты прямого коллапса, в конечном счете, ничто не способно противостоять непреодолимой силе притяжения. Это означает, что эти "темные звезды" также должны в конечном итоге коллапсировать, образуя массивные черные дыры.
|
|
|
|
Теперь мы считаем, что процессы, подобные этому, должны были иметь место для образования большого количества черных дыр, которые мы наблюдаем в зарождающейся Вселенной.
|
|
Планы на будущее
|
|
|
|
За последние два года исследования раннего образования черных дыр претерпели изменения, но в некотором смысле эта область только начинается.
|
|
|
|
Новые обсерватории в космосе, такие как миссия "Евклид" или римский космический телескоп "Нэнси Грейс", дополнят нашу перепись более слабых квазаров на ранних этапах. Миссия "Ньюатена" и массив "Квадратный километр" в Австралии и Южной Африке помогут нам лучше понять многие процессы, происходившие вокруг черных дыр на ранних этапах их существования.
|
|
|
|
Но на самом деле это первое, на что мы должны обратить внимание в ближайшем будущем. Благодаря высокой чувствительности к изображениям и мониторингу, а также спектроскопическим возможностям, позволяющим увидеть очень слабую активность черных дыр, мы ожидаем, что в ближайшие пять лет количество черных дыр действительно увеличится в период формирования первых галактик.
|
|
|
|
Мы можем даже застать процесс образования черных дыр на месте, став свидетелями взрывов, связанных с коллапсом первых первозданных звезд. Модели говорят, что это возможно, но для этого потребуются скоординированные и целенаправленные усилия астрономов.
|
|
|
|
Источник
|
