|
Галактики растут вокруг черных дыр
|
|
|
|
Используя наблюдения, собранные космическим телескопом Джеймса Уэбба (JWST), международная команда астрономов обнаружила, что одна сверхмассивная черная дыра в ранней Вселенной должна была образоваться до того, как вокруг нее образовалась галактика. Публикуя свои результаты в Monthly Notices Королевского астрономического общества, команда ученых под руководством Роберто Майолино из Кембриджского университета надеется, что их результаты помогут лучше понять происхождение этих огромных объектов.
|
|
|
|
Известно, что сверхмассивные черные дыры (SMBH) скрываются в центрах большинства галактик, включая наш Млечный Путь. Их масса в миллиарды раз превышает массу Солнца, и они давно представляют собой загадку для астрономов.
|
|
|
|
Согласно нашим последним моделям, черные дыры образуются из остатков взрывов сверхновых, которые чаще всего происходят, когда массивные звезды достигают конца своей жизни. Впоследствии они могут расти, потребляя газ из окружающих аккреционных дисков, но скорость их роста ограничена порогом яркости, называемым "пределом Эддингтона". За пределами этой точки внешнее давление излучения превышает гравитационное притяжение, и вещество выбрасывается в космос.
|
|
|
|
Проблема для астрономов заключается в том, что сверхмалые объекты были обнаружены всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва — невероятно рано по космологическим меркам и слишком рано для того, чтобы такие огромные объекты могли сформироваться в соответствии с ограничениями, налагаемыми пределом Эддингтона.
|
|
|
|
|
|
|
"Было предложено несколько альтернативных сценариев", - объясняет Майолино. "Небольшие "зародышевые" черные дыры могли претерпевать кратковременные фазы чрезвычайно быстрого роста; черные дыры средней массы могли образовываться в результате внезапных слияний в плотных звездных системах; или черные дыры могли образовываться уже массивными - так называемыми "тяжелыми зародышами"".
|
|
|
|
Согласно этому третьему сценарию, небольшие скопления вещества образуются либо в результате прямого коллапса обширных облаков вещества, что возможно только в экстремальных условиях, существующих в очень ранней Вселенной, либо из "первичных" черных дыр: чрезвычайно плотных скоплений вещества, образовавшихся вскоре после Большого взрыва, впервые предложенного Стивеном Хокингом.
|
|
|
|
Чтобы изучить эти возможности, команда Майолино провела углубленный анализ QSO1: SMBH, существовавшего, когда Вселенной было около 700 миллионов лет, и видимого благодаря свету, излучаемому ее аккреционным диском. QSO1 относится к классу объектов, известных как Маленькие красные точки — загадочные источники, впервые обнаруженные JWST, которые, как полагают некоторые астрономы, являются первичными галактиками, содержащими зарождающиеся SMBH, хотя у них отсутствуют рентгеновские сигнатуры, обычно ассоциируемые с аккрецирующими черными дырами.
|
|
|
|
Команда выбрала этот объект отчасти потому, что он гравитационно линзирован скоплением галактик на переднем плане, которое направляет большую часть излучаемого им света в поле нашего зрения, эффективно увеличивая его.
|
|
Реконструируем химическое окружение
|
|
|
|
Чтобы добиться максимально возможного разрешения, команда Майолино использовала режим комплексного полевого наблюдения, фиксируя спектры в каждой точке небольшого участка неба. "Сочетание высокого пространственного и спектрального разрешения позволило нам определить "сферу влияния" черной дыры, где гравитация определяет движение газа", - рассказывает Майолино. "Это позволило непосредственно измерить массу черной дыры".
|
|
|
|
Эти же данные позволили точно измерить излучение ионизированного водорода и кислорода, выявив химический состав газа, окружающего черную дыру.
|
|
|
|
Когда после Большого взрыва образовались первые атомы, они состояли исключительно из водорода, гелия и небольшого количества лития. Более тяжелые элементы могут образовываться только в результате ядерного синтеза внутри звезд, обогащая окружающую среду, когда взрывы сверхновых выбрасывают их в космос.
|
|
|
|
В данном случае "мы обнаружили, что QSO1 содержится в среде с чрезвычайно низким химическим обогащением", - поясняет Майолино. "В частности, содержание кислорода по отношению к водороду составляет менее 1% от значения, измеренного на солнце, что указывает на почти первозданный состав".
|
|
Сценарий с большим количеством семян
|
|
|
|
Этот результат говорит о том, что в окрестностях QSO1 образовалось очень мало звезд, а это означает, что черная дыра, вероятно, намного массивнее окружающей ее системы. "В совокупности эти результаты указывают на сценарий, при котором черная дыра сформировалась до образования основной массы галактики, а не росла внутри ранее существовавшей галактики, как традиционно предполагалось", - продолжает Майолино.
|
|
|
|
Из рассмотренных сценариев формирования это открытие наиболее точно согласуется со сценарием "тяжелого зародыша", в котором черные дыры уже при рождении являются очень массивными. Основываясь на этом результате, команда Майолино надеется, что их результат может проложить путь к долгожданному прорыву в нашем понимании того, как впервые сформировались SMBHS.
|
|
|
|
Источник
|
