|
Как образуются сверхмассивные черные дыры
|
|
|
|
Одним из самых удивительных открытий в современной астрономии стало обнаружение сверхмассивных черных дыр, некоторые из которых весят в миллиарды раз больше нашего Солнца, в галактиках, которые образовались менее чем через 750 миллионов лет после Большого взрыва. Похоже, что они растут невероятно быстро, бросая вызов нашему пониманию того, как образуются и эволюционируют черные дыры.
|
|
|
|
Традиционный путь образования черных дыр связан с коллапсом звезды, когда массивная звезда умирает и оставляет после себя черные дыры, обычно весящие всего в несколько раз больше Солнца. Но для того, чтобы эти звездные остатки превратились в миллиарды гигантов солнечной массы в ранней Вселенной, потребовалось бы питание с невозможной скоростью в течение исключительно длительного периода.
|
|
|
|
Группа ученых, возможно, нашла способ обнаружить сверхмассивные черные дыры в процессе их формирования, обратив внимание на определенный тип света, который они излучают во время своего бурного процесса рождения. Рассмотрим сценарий "прямого коллапса" - предполагаемый механизм, при котором массивные облака первичного газа коллапсируют непосредственно в зародыши сверхмассивных черных дыр без предварительного образования звезд. Этот процесс может привести к образованию черных дыр средней массы весом от 100 000 до 10 миллионов солнечных масс, что станет гораздо более разумной отправной точкой для быстрого роста в сверхмассивные черные дыры.
|
|
|
|
Новое исследование Яна Ло и Исаака Шлосмана, опубликованное на сервере препринтов arXiv, предполагает, что эти предшественники самых массивных черных дыр Вселенной могут быть обнаружены по мере их формирования, что потенциально может решить одну из самых больших загадок астрономии.
|
|
|
|
|
|
|
Ключевым требованием для процесса прямого коллапса является поддержание температуры охлаждения атомарного водорода на уровне около 10 000 Кельвинов, предотвращая фрагментацию, которая могла бы привести к образованию звезд. При таких условиях массивные газовые облака могут коллапсировать непосредственно в плотные ядра, которые в конечном итоге становятся зародышами черных дыр.
|
|
|
|
Исследование сосредоточено на обнаружении особого типа излучения, называемого альфа-излучением Лаймана, которое возникает, когда атомы водорода поглощают и повторно испускают ультрафиолетовое излучение. Во время прямого коллапса это излучение представляет собой один из основных процессов охлаждения, который уносит энергию по мере сжатия газового облака.
|
|
|
|
Предыдущие модели предполагали сферический коллапс, который улавливал бы фотоны и уничтожал их посредством квантовых процессов. Однако исследователи предлагают более реалистичный сценарий, включающий вращающийся газ, который образует аккреционный диск вокруг центральной концентрации массы. Это создает двухконусную схему истечения, по сути, воронки вдоль оси вращения, через которые может выходить излучение.
|
|
|
|
Используя сложное компьютерное моделирование и расчеты переноса излучения, ученые обнаружили, что значительная часть альфа-фотонов Лаймана может выходить через эти каналы вывода. Для объекта, существовавшего до появления сверхмассивной черной дыры при красном смещении 10 (когда Вселенной было всего около 500 миллионов лет), более 95% альфа-излучения Лаймана могло вырваться наружу и потенциально быть обнаружено.
|
|
|
|
Исследование показывает, что прибор NIRSpec космического телескопа Джеймса Уэбба, возможно, сможет обнаружить эти сигналы с помощью режима многообъектной спектроскопии и времени наблюдения около 10 000 секунд.
|
|
|
|
Что делает это открытие особенно захватывающим, так это то, что излучение Лаймана-альфа от объектов с прямым коллапсом должно обладать отличительными характеристиками, которые отличают их от других небесных источников. Исследователи обнаружили, что эти объекты, существовавшие до появления сверхмассивных черных дыр, будут создавать сильно асимметричные спектральные линии с протяженными красными хвостами, которые обычно не наблюдаются в обычных галактиках или квазарах.
|
|
|
|
Возможность обнаружить эти объекты позволила бы по-новому взглянуть на самые драматические события ранней Вселенной. В отличие от сформировавшихся сверхмассивных черных дыр, окруженных яркими аккреционными дисками, эти объекты, которые существовали до появления черных дыр, относительно не содержали металлов, что отражает действительно первичные условия.
|
|
|
|
Одним из важнейших аспектов этого исследования является выбор времени. Процесс непосредственного коллапса и связанное с ним излучение альфа-излучения Лаймана, вероятно, происходят в течение относительно короткой фазы, прежде чем центральный объект превращается в настоящую черную дыру. Это узкое окно обнаружения подчеркивает важность систематических исследований, позволяющих зафиксировать эти объекты во время их формирования.
|
|
|
|
Если это исследование подтвердится с помощью наблюдений, оно может коренным образом изменить наше понимание того, как образовались самые массивные черные дыры во Вселенной, что станет прямым доказательством одного из самых экзотических сценариев в теоретической астрофизике. Первое обнаружение объекта с прямым коллапсом по его излучению альфа-излучения Лаймана стало бы важной вехой в понимании происхождения сверхмассивных черных дыр, которые сформировали структуру ранней Вселенной.
|
|
|
|
Источник
|
