[Перевод] Загадка появления ранних сверхмассивных чёрных дыр решена
Загадка появления ранних сверхмассивных чёрных дыр много лет ставила в тупик астрономов. И вот, наконец, мы поняли, откуда они появились.
Всего на 0,15 квадратных градусах небосвода можно найти множество участков, содержащих большое количество галактик, группирующихся в скопления и филаменты, между которыми есть лишь пустоты, или войды. Каждая светлая точка на этом снимке — это сверхмассивная чёрная дыра (да, их настолько много). Этот участок космоса назвали ECDFS, поскольку ранее рассматривали в рамках проекта Extended Chandra Deep Field South — это новый взгляд в рентгеновском диапазоне на изученный ранее участок.
Что, если бы мы могли заглянуть в прошлое любого человека с нашей планеты и увидеть их в возрасте 5 лет? Можно ожидать, что мы увидим различные варианты их характеристик — некоторые будут выше, некоторые — ниже, некоторые тяжелее, некоторые — легче, у некоторых будут ступни крупнее, у некоторых — меньше, и т.п. Однако логично будет предположить, что все они будут похожи на пятилетних людей. Вы бы удивились, увидев кого-то похожего на подростка, на молодого человека или на взрослого. Тогда у вас возник бы закономерный вопрос — отражает ли то, что вы увидели, реальность.
Однако похожая ситуация возникает, когда мы смотрим на самые ранние яркие и активные галактики Вселенной, в центрах которых находятся чёрные дыры. Теоретически, должны существовать ограничения на то:
- насколько рано могут появиться первые звёзды (и, следовательно, первые чёрные дыры);
- насколько большая «зачаточная» чёрная дыра может появиться из этих первых звёзд;
- как быстро эти первые чёрные дыры могут наращивать массу.
И всё же мы находим свидетельства того, что сверхмассивные чёрные дыры, значительно превышающие эти ограничения, каким-то образом сформировались за первые несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. На решение этой загадки ушло 19 лет –, но всё-таки команда исследователей опубликовала в журнале Nature работу, в которой заявляет, что нашла её решение. И вот, как Вселенной удалось это сделать.
Участки повышенной плотности Вселенной со временем растут, однако их рост ограничен изначальным размером и наличием излучения, не дающего им расти слишком быстро. На формирование первых звёзд ушли десятки и сотни миллионов лет, но комки материи существовали уже задолго до этого
Первое, что нужно понять — сразу после Большого взрыва Вселенная была почти идеально однородной. Нарисовав сферу, окружающую любой участок пространства, вне зависимости от радиуса, вы бы заключили в ней определённое количество массы. Если бы потом вы нарисовали 1000 сфер такого же размера в других местах космоса, вы бы обнаружили, что:
- порядка 683 участков попадают в диапазон от 99,997% до 100,003% средней плотности;
- порядка 954 участков попадают в диапазон от 99,994% до 100,006% средней плотности;
- порядка 997 участков попадают в диапазон от 99,991% до 100,009% средней плотности;
- и все 1000 участков попадают в диапазон от 99,988% до 100,012% средней плотности.
Иначе говоря, сразу после горячего Большого взрыва даже в самых плотных участках массы было совсем чуть-чуть больше среднего.
Используя физику процессов эволюции материи и излучения в ранней Вселенной, мы можем подсчитать, сколько времени должно уйти у самых плотных участков на то, чтобы собрать достаточно материи для формирования первых плотных объектов, в том числе звёзд и чёрных дыр. В расчётах, конечно, есть неопределённость, но все мы сходимся на том, что на формирование первых звёзд должны уйти десятки миллионов лет. А первая волна массового появления звёзд во Вселенной началась не ранее 100–200 млн лет после Большого взрыва.
Самые первые появившиеся во Вселенной звёзды были совсем не такими, как сегодняшние — в них не было металлов [на астрономическом жаргоне — элементов тяжелее гелия / прим. перев.], они были чрезвычайно массивными, и их ждала судьба сверхновой, окружённой газовым коконом
После формирования таких звёзд самые массивные из них могли прожить совсем немного — до 2 млн лет, а потом их ядро коллапсировало и формировалась чёрная дыра. Учитывая, что самая массивная из известных на сегодня звёзд — это R136a1, расположенная в Большом Магеллановом Облаке в туманности «Тарантул», и масса её в 260 раз больше, чем у Солнца [по информации из Вики — в 315 раз / прим. перев.], логично предположить, что первые чёрные дыры тоже должны были иметь массу в несколько сотен солнечных.
Тогда остаётся понять, насколько рано могут сформироваться эти первичные чёрные дыры, и как быстро они способны расти и набирать массу, пока развивается Вселенная?
Мы можем представить, что они формируются всего лишь спустя 100 млн лет после Большого взрыва. Что касается скорости роста тела за счёт поглощения окружающей его материи, на этот параметр накладывают ограничения законы физики, а именно предел Эддингтона. Всё это позволяет нам предсказать, насколько массивной может стать чёрная дыра за заданный промежуток времени. И замечательно — нам останется только измерить массы сверхмассивных чёрных дыр, питающих самые древние и мощные квазары, и посмотреть, совпадают ли наши наблюдения с предсказанием.
Превышающие теоретические выкладки чёрные дыры говорят о том, что наши предпосылки неверны. Либо эти чёрные дыры на старте были больше, чем допускают наши теории, либо они появились раньше, либо растут быстрее. Квазар-галактические гибриды могут помочь разрешить эту загадку.
И вот тут возникает вопрос. Мы находим квазары со сверхмассивными чёрными дырами, массой от 500 млн до 1 млрд солнечных, уже появившиеся, когда Вселенная была ещё очень молодой — 700 млн лет от роду, или 5% от текущего возраста.
У нас получаются те самые пятилетние люди разного роста, веса, размера ноги и пр. Некоторые из этих пятилетних имеют рост, как у баскетболиста, и их размеры совершенно не соответствуют возрасту.
Иначе говоря, что-то не сходится. Учитывая то, что мы знаем о Вселенной и законах физики, ранние сверхмассивные чёрные дыры выросли более крупными, чем мы могли ожидать.
Учёные уже выдвинули множество идей для объяснения этого феномена, которые можно разделить на три категории:
- Возможно, с изначальным размером и временем появления мы угадали, а вот со скоростью роста промахнулись — чёрные дыры набирают массу быстрее.
- Возможно, мы прогадали с первоначальным размером, и появление крупных космических «зародышей» чёрных дыр возможно в процессе структурного формирования Вселенной или же благодаря гораздо более крупным первым звёздам.
- Возможно, Вселенная сразу же появилась с первобытными чёрными дырами, сформировавшимися ещё до того, как появились первые звёзды.
Если Вселенная появилась с первобытными чёрными дырами, и если они стали зародышами сверхмассивных чёрных дыр, мы сможем увидеть признаки этого при помощи Джеймса Уэбба.
По первому пункту — да, благодаря несферической аккреции чёрные дыры могут расти быстрее, чем позволяет предел Эддингтона, однако подобная аккреция не может сохраняться достаточно долго. Даже если допустить кратковременные ускорения роста, очень сложно объяснить, каким образом такое большое количество чёрных дыр (а их, самых ранних, открыто уже более 200), так долго росло в таких редких, быстро исчезающих условиях.
По третьему пункту у нас получается очень неприятное предположение — нужно придумать новую физику, которая создаёт всплеск на определённом участке спектра масс. Чтобы создать первобытную чёрную дыру, нужно, чтобы на её месте в ранней расширяющейся Вселенной был участок космоса плотностью в 168% от средней. Вспомните, что почти 100% участков космоса попадают в диапазон средней плотности от 99,988% до 100,012%. Такой сценарий пройдёт, только если придумать какой-то новый способ породить сверхбольшие флуктуации на очень маленьких (и строго конкретных) по космическим меркам масштабах.
Центральный регион туманности «Тарантул» в Большом Магеллановом Облаке. Справа внизу видно молодое плотное звёздное скопление R136. Там идёт волна звездного формирования из-за приливных сил, которые Млечный Путь оказывает на БМО. Энергетические всплески звёздного формирования — один из основных источников нагрева материи внутри галактик. Там, где есть одна сверхмассивная звезда, поблизости должно быть и много других звёзд.
Однако есть ещё надежда, что эта — кажущаяся — проблема может оказаться решаемой при помощи обычной скучной астрофизики. Конечно, с нашей задачей не справится первоначальная чёрная дыра массой в несколько сотен солнечных, появившаяся спустя 100 млн лет после Большого взрыва. Но если бы в то же самое время могла появиться чёрная дыра всего в 100 раз массивнее — у нас было бы решение.
Состав Вселенной до появления первых звёзд даёт нам отличную подсказку пути к этому решению. Сегодняшние звёзды формируются благодаря коллапсу газовых облаков, в основном состоящих из водорода и гелия, и приправленных небольшим количеством более тяжёлых элементов, среди которых есть кислород, углерод, азот, неон, кремний, сера, кальций, магний и железо. В основном благодаря этим тяжёлым элементам газовые облака охлаждаются и сжимаются, порождая звёзды массой в 40% от Солнца. Может появиться и небольшое количество более массивных звёзд, до 50, 100 и даже 200 солнечных. Однако лишь крохотная их доля будет достаточно массивной для того, чтобы превратиться в сверхновую или чёрную дыру.
Фотография, сделанная Хабблом в видимом диапазоне, близком к инфракрасному. Звезда массой в 25 солнечных исчезла без следа, без сверхновой и т.п. Единственное тому объяснение — прямой коллапс, в результате которого появляется чёрная дыра. Кроме этого, чёрные дыры могут появиться после взрыва сверхновой или слияния нейтронных звёзд.
Но на ранних этапах развития Вселенной звёзды должны были формироваться иначе. Без тяжёлых элементов очень тяжело охлаждать облака газа, пытающиеся сжаться под воздействием гравитации. Это происходит только за счёт рассеяния тепла при помощи молекулярного водорода. Из-за такого неэффективного способа молекулярные облака должны быть гораздо более массивными для того, чтобы в итоге схлопнуться, и в среднем в них должны зарождаться звёзды массой в 25 раз больше, чем сегодняшние.
На тех ранних этапах, вероятно, очень часто появлялись звёзды массой в сотни и тысячи солнечных, и такие звёзды даже могли не порождать сверхновые — почти 100% таких звёзд могли просто коллапсировать напрямую в чёрные дыры.
Учитывая, что:
- мы наблюдали прямое схлопывание звёзд,
- в местах нахождения наиболее массивных звёзд мы наблюдаем большое количество звёзд, сходных с ними по массе,
- первые звёзды сформировались из ультрамассивных молекулярных облаков, где появлялись ещё многие звёзды массой в тысячи солнечных,
разумно предположить, что в таких условиях могло появиться множество первоначальных чёрных дыр, которые затем сливались и формировали массивные чёрные дыры.
Математическая симуляция искривления пространства-времени вблизи двух сливающихся чёрных дыр. Полоски — пики и провалы гравитационных волн, яркость цвета обозначает амплитуду.
Но даже и при таком развитии событий, приближающем нас к нужному результату, у нас есть проблема: как заставить все эти первоначальные чёрные дыры слиться достаточно быстро, без гравитационных взаимодействий, которые могут привести как к выбросу тел из системы, так и к зачистке галактического центра от материала, необходимого для формирования аккреционного диска?
Должно быть что-то ещё, что поможет нам перевести всё это из области теоретических рассуждений на надёжные рельсы физики и астрофизики. Именно это нашли авторы нового исследования, проведённого в Портсмутском университете под руководством Дэниела Уолена.
Космологи отслеживают, в каких местах ранней Вселенной могут собираться бальшие массы материи. Для этого они симулируют формирование различных структур, включая тёмную материю, ранние звёздные скопления и потоки нейтрального газа. Симуляции демонстрируют, как протогалактики и звёздные скопления сливаются на фоне появления космической сети. Несколько лет назад таким образом было показано, что ультрамассивные потоки холодного газа должны сталкиваться в точках пересечения зарождающейся космической сети, в результате чего плотность газа в небольших объёмах будет заметно возрастать, собирая материю в количестве до 100 000 солнечных масс в одном месте.
Отрезок суперкомпьютерной симуляции, демонстрирующий миллион лет космической эволюции в точке пересечения двух потоков холодного газа.
Однако таких точек довольно мало, и ими не объяснить две сотни массивных квазаров, открытых нами, и появившихся тогда, когда возраст Вселенной составлял лишь 5% от нынешнего. Этим занимаются новые симуляции портсмутской группы. Они показали, что в местах пересечения холодных потоков может внезапно произойти коллапс плотных облаков нормальной материи, порождая либо короткоживущие звёзды, либо сразу чёрные дыры массами от 30 000 до 40 000 солнечных.
Как следует из отрывка симуляции выше, никакие особые механизмы для возникновения этого феномена не требуются. В предыдущих исследованиях задействовали ультрафиолетовое фоновое излучение, сверхзвуковые движения, атомное и молекулярное охлаждение… В новом исследовании показано, что потоки холодного газа порождают огромную турбулентность, из-за которой формирование звёзд становится невозможным до достижения критической массы. А когда удаётся преодолеть это пороговое значение, плотный участок внезапно схлопывается, порождая формирование отдельных объектов — звёзд и чёрных дыр — массами до 40 000 солнечных. Впервые с использованием обычной физики было показано, как могут появляться первичные чёрные дыры нужной массы и всего лишь спустя 100 млн лет после Большого взрыва.
На этом крохотном кусочке панорамы GOODS-N, которую снимали со многих телескопов — Хаббла, Спитцера, Чандры, XMM-Newton, Гершеля, VLT и других — имеется на первый взгляд ничем не примечательная красная точка. Этот квазар-галактический гибрид, существовавший спустя 730 000 лет после Большого взрыва, может стать ключом к загадке эволюции чёрных дыр, находящихся в центрах галактик.
Лучшего времени для этих теоретических построений не найти — телескоп Джеймс Уэбб как раз начинает свою работу. И одной из его беспрецедентных возможностей будет изучение самых ранних чёрных дыр в окружающей их галактической среде. Описанный в статье сценарий вскоре будет подвергнут практической проверке. Сам Уолен пишет:
«Единственные первобытные облака, способные сформировать квазар сразу после космической зари, вместе с первыми звёздами, очень кстати создали и собственные первичные чёрные дыры. Этот простой и красивый результат объясняет не только происхождение первых квазаров, но и их демографию — их количество в ранние времена. Первые сверхмассивные чёрные дыры были естественным следствием формирования структур космологии холодной тёмной материи — детьми космической сети».
Почти два десятилетия астрономы гадали, как эти ранние сверхмассивные чёрные дыры в центрах самых далёких квазаров стали такими большими так быстро. Новое исследование приводит серьёзные аргументы в пользу газового сценария, не требующего новой физики. А уже в ближайшие месяцы мы сможем точно узнать, как именно выросли эти самые массивные и ранние объекты Вселенной.
