|
Как образовались гигантские черные дыры
|
|
|
|
Запуск космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) НАСА в 2021 году расширил горизонты изучения ранней Вселенной, открыв космические события, произошедшие всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Среди самых поразительных открытий — сверхмассивные черные дыры, масса некоторых из которых достигает 100 миллионов масс нашего Солнца.
|
|
|
|
"Обнаружение черных дыр в ранней Вселенной - это такая неожиданность, потому что это противоречит стандартной модели того, как Вселенная выстраивает структуру из маленьких кусочков, или "легких зерен", в большие кусочки, или "тяжелые зерна", - сказал Фолькер Бромм, профессор астрономии Колледжа естественных наук и содиректор Центра космических исследований при Техасском университете в Остине.
|
|
|
|
Бромм является соавтором исследования любопытных астрономических объектов, обнаруженных JWST, под названием "Маленькие красные точки" (LRD), опубликованного в журнале Astrophysical Journal.
|
|
|
|
LRD чрезвычайно компактны и излучают свет с сильным красным смещением и необычными спектральными характеристиками, которые не поддаются простому объяснению. Бромм и его коллеги сравнили данные JWST LRD с моделями, в которых использовалась гипотеза образования черных дыр с "тяжелыми зародышами", и обнаружили хорошее соответствие с данными JWST LRD.
|
|
|
|
Астрономы называют тяжелые семена черными дырами прямого коллапса (DCBH), которые, как предполагается, образуются в результате быстрого коллапса огромных первичных облаков водорода и гелия. Эта точка зрения противоречит гипотезе образования черной дыры "светового семени" - более медленному процессу, при котором массивная звезда сжигает все свое ядерное топливо и коллапсирует в оставшуюся черную дыру, масса которой от нескольких десятков до 100 раз превышает массу Солнца.
|
|
|
|
|
|
|
Маленькие красные точки появляются в конце образования DCBH.
|
|
|
|
"Теперь считается, что маленькие красные точки питаются сверхмассивными черными дырами, окруженными массивным коконом - газовым облаком из материала высокой плотности", - сказал Бромм.
|
|
|
|
Компания Bromm получила доступ к суперкомпьютерам Lonestar6 и Stampede3 в Техасском центре передовых вычислений (TACC) в рамках исследовательской киберинфраструктурной программы Техасского университета, что открыло исследователям из UT System доступ к передовым вычислительным мощностям мирового класса.
|
|
|
|
Волкер использовал суперкомпьютеры для разработки моделей, которые исходили из начальных условий того, какой была Вселенная примерно через полмиллиона лет после Большого взрыва, полученных на основе предварительных данных о фоновом космическом микроволновом излучении.
|
|
|
|
"Lonestar6 и Stampede3 сыграли ключевую роль в этом моделировании и достижении такого уровня реалистичности", - сказал Бромм. "В тот момент, когда вы соединяете темную материю с барионами (светящимися материалами), вы попадаете в совершенно нелинейную область. Эти средства поддерживают единственный способ решить эту сверхсложную проблему".
|
|
|
|
Бромм и его коллеги использовали код формирования галактик "Древние звезды" и локальные наблюдаемые объекты, отслеживая гало (A-SLOTH), чтобы заполнить раннюю Вселенную DCBH и сравнить его со стандартными моделями звездных остатков. Они обнаружили лучшее соответствие с моделями DCBH по сравнению с исходными данными звездных остатков в сопоставлении наблюдаемой статистики популяции LRD и свойств гало из темной материи.
|
|
|
|
Исследователи проанализировали данные наблюдений JWST на LRD, используя то, что они назвали "генетическим методом", при котором данные разбиваются на их предшественников.
|
|
|
|
"Мы создаем древо слияния истории LRD с самого начала. Это все равно, что создавать историю одного человека, возвращаясь на миллионы лет назад и отслеживая всех потомков", - отметили они.
|
|
|
|
Основываясь на этом, Бромм и его коллеги включили ключевые астрофизические объекты и процессы, такие как ореолы темной материи, добавив первичный газ, чтобы прояснить вопросы о том, как газ образует звезды, их жизненном цикле и выделении энергии, обратной связи со сверхновыми и, как следствие, обогащении тяжелыми химическими элементами.
|
|
|
|
Это аналогично моделированию глубокой истории человека, живущего сегодня, прослеживанию каждого предка и определяющих моментов, которые сформировали их жизнь, чтобы понять, кем этот человек является сегодня.
|
|
|
|
Бромм признал, что, хотя искусственный интеллект напрямую не использовался в моделировании, он сыграл вспомогательную роль в более масштабных усилиях по извлечению ключевых свойств популяции маленьких красных точек из данных JWST-изображений.
|
|
Cosmic challenge
|
|
|
|
"Большой проблемой сейчас является сложная задача суперкомпьютеров — понять данные, поступающие из JWST о первых галактиках, начиная с первичной Вселенной, и переместить время вперед, чтобы решить этот связанный набор дифференциальных уравнений", - сказал Бромм.
|
|
|
|
Он добавил, что еще одной серьезной проблемой для астрономов-теоретиков является сопоставление данных JWST о "светящейся вселенной", материи, которую мы можем видеть, со свойствами темной материи: "Чтобы установить эту связь между видимой вселенной и лежащей в ее основе темной материей, ключевую роль играют суперкомпьютеры".
|
|
|
|
"С философской точки зрения, это фантастика, что теперь люди в состоянии понять всю космическую историю, насчитывающую почти 14 миллиардов лет", - заключил Бромм. "Это захватывающая дух экстраполяция наших собственных жизней и, в конечном счете, подарок суперкомпьютеров, который позволил собрать все это воедино".
|
|
|
|
Источник
|
