| Черные дырыBlack holes Черные дыры −
области пространства–времени, имеющие такое сильное гравитационное поле,
что даже свет не может их покинуть. где G = 6.67·10-11 м3·кг-1·с-2 − гравитационная постоянная, М — масса черной дыры, См. также
|
Боттомоний
Чармоний
Граница этой области называется горизонтом
событий, а её радиус r0 − гравитационным радиусом (радиусом сферы
Шварцшильда).
В настоящее
время известно около 300 объектов-кандидатов в чёрные дыры. По современным
представлениям чёрные дыры большой массы M > 100M
находятся в центре почти всех спиральных и эллиптических галактик. Предполагается,
что в центре нашей галактики находится чёрная дыра массой 3.7·106 M.Как образуются черные дыры
«Наука не является и никогда не будет являться законченной книгой»
Альберт Эйнштейн
Человечество уже вступило в третье тысячелетие. Научный прогресс сделал возможным то, что еще 100 лет назад казалось неосуществимой мечтой, фантастикой. Но до сих пор нет ответа на главные вопросы, над которыми бились еще философы древности: как устроен наш мир и кто мы в нем? Вглядываясь в небо, мы, как первобытные люди, пытаемся разгадать великие тайны Вселенной.
Науке на данный момент известно, что срок жизни любой звезды определяет ее масса. На первой стадии развития, когда звезда формируется из газового облака, температура в ядре поднимается до нескольких миллионов градусов. Затем в ней начинается реакция превращения водорода в гелий. Пока водород «сгорает», звезда находится на основном этапе своей жизни, занимающем примерно 90% ее существования. Этот период называют этапом главной последовательности. Когда водород внутри звезды заканчивается, она переходит на следующий этап, в котором ее дальнейшая судьба зависит только от массы. У небольших звезд типа нашего Солнца ядро нагревается до температуры около 100 млн градусов по Цельсию, после чего гелий начинает превращаться в углерод и кислород. В этом случае оболочка раздувается настолько сильно, что в результате рождается красный гигант.
Эта стадия проходит в 10 раз быстрее этапа «горения» водорода и занимает примерно 10% от всего времени активной жизни звезды. После «выгорания» гелия сверхплотное ядро превращается в белый карлик, а прежняя оболочка расширяется и сбрасывается в космос.
Но из-за нехватки гравитации маломассивные звезды не способны разогреть свою центральную область, а углерод и кислород не могут продолжить термоядерное «горение». Однако в звездах, масса которых превышает солнечную более чем в 10 раз, температура достигает нескольких миллиардов градусов, и в них начинается реакция с образованием неона, магния, а также более тяжелых элементов вплоть до железа. В результате в центре возникает железное ядро, растущее до тех пор, пока объект не теряет устойчивость и гравитация не «сплющивает» его еще сильнее. Его центральная область сжимается, превращаясь либо в нейтронную звезду с массой до миллиарда тонн на кубический сантиметр, либо в черную дыру с массой, стремящейся к бесконечности. Черные дыры являются одними из самых удивительных и загадочных объектов окружающего нас космоса.
Черная дыра — область пространства-времени, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть ее не могут даже объекты, движущиеся со скоростью света, в том числе и кванты самого света.
Граница этой области называется горизонтом событий, а ее характерный размер — гравитационным радиусом. После своего образования черная дыра немедленно принимается поглощать умирающее светило, остаток которого начинает вращаться вокруг нее, образуя аккреционный диск, существующий очень недолго. Однако она не в состоянии быстро поглотить такое большое количество вещества, поэтому выбрасывает часть его обратно со скоростью, близкой к скорости света. При этом из черной дыры вырываются два направленных в противоположные стороны луча гамма-излучения, пробивающиеся сквозь внешний слой звезды и выбрасываемые в космос. Это очень мощный поток гамма-лучей, по яркости не сравнимый ни с чем во Вселенной. При обычном взрыве сверхновой выделяется столько энергии, сколько Солнце выделяет за 10 млрд лет своей жизни, а выброс гамма-лучей бывает в 100 млн раз ярче, чем сверхновая.
Итак, гиперновые при взрыве в конце своей жизни образуют черные дыры — это самая большая загадка космоса в настоящее время.
Что же находится внутри этой незнакомой физике системы?
Черная дыра — это не твердое и не газообразное тело, она не является всего лишь пространственной единицей. Это объект, искажающий как три понятных нам измерения (длину, ширину и высоту), так и временную шкалу. Ученые считают, что в районе горизонта событий время принимает пространственное значение и может двигаться как вперед, так и назад. Пространство-время сильно искривлено из-за огромной гравитации. Световые кванты, попадающие в черную дыру, не просто исчезают — их масса добавляется к массе сингулярности, что делает ее еще больше и увеличивает ее гравитационные силы. Основой образования точек невозврата является гравитация, величина которой там в миллионы раз превосходит земную.
Представление о том, что такое черная дыра, подарил миру немецкий ученый Карл Шварцшильд (Karl Schwarzschild). По его мнению, она может образоваться в любой точке пространства, когда материальный объект, имеющий сферическую форму, каким-то образом достигает так называемого гравитационного радиуса.
Законы физики и геометрии отлично действуют на Земле, но полностью теряют свое значение на горизонте событий. Именно поэтому с математической точки зрения невозможно рассчитать внутренние составляющие черной дыры.
Давайте поразмышляем над тем, что такое сингулярность, из чего она может состоять и во что превращается вещество или материя в черной дыре. Если мы разгадаем эту загадку, то можем узнать, что же представляла собой сингулярность Вселенной до момента Большого взрыва.
В случаях с небольшими светилами и сверхновыми вроде бы все понятно: после взрыва вещество звезды или ее ядра теряет внутриатомное пространство и материя уплотняется из-за гравитации до известного науке состояния в виде белого карлика или нейтронной звезды. Что касается взрывов гиперновых и образования черных дыр после них, то здесь все обстоит иначе. Давайте обратимся к известной формуле, выведенной Эйнштейном в начале прошлого столетия: E=mc², где Е — это энергия, m — масса, а с — скорость света.
Из этой формулы можно вывести и массу следующим образом: m=E/c². Эквивалентность массы и энергии — физическая концепция Теории относительности, согласно которой полная энергия физического объекта равна его массе, умноженной на размерный множитель квадрата скорости света в вакууме. Исходя из этого, делаем вывод, что энергия и масса являются разными формами одного и того же явления. Материя и энергия могут переходить друг в друга. С точки зрения физики вообще бессмысленно их разделять. Энергия проявляет себя как масса — обладает инерцией и гравитационным притяжением. Например, есть протон, который состоит из трех кварков, массы которых в сумме (12 МэВ) гораздо меньше массы самого протона (939 МэВ). Даже массы частиц измеряют в энергетических единицах — электрон-вольтах, а в нормальные единицы их переводят с помощью вышеупомянутой формулы E=mc². Исследования подтверждают, что при сближении электрона и позитрона они аннигилируют, то есть исчезают.
При этом излучаются два гамма-луча, что снова доказывает преобразование массы в энергию. Следовательно, материя и энергия эквивалентны. При трансформации материи в энергию сохраняется свойство гравитации и искривления пространства-времени, присущее материи, трансформированной в энергию.
К слову, такая трансформация частично воплощена в атомной бомбе, где частицы материи разрушаются, высвобождая при этом огромное количество энергии. При реакции деления ядер атомов тяжелых элементов (например, урана) общая масса образовавшихся «осколков» оказывается меньше, чем масса разделившегося ядра. Получается, что часть его массы превратилась в энергию, которую мы называем атомной.
Превращение материи в энергию можно наблюдать на примере зажженной спички. При ее горении тоже выделяется энергия от потери массы, но она незначительна по сравнению с реакцией распада ядра. Огонь — результат химической реакции горения. Как и в ядерной реакции, при горении сумма масс продуктов реакции меньше исходной массы горючего и окислителя (последним чаще всего служит кислород воздуха).
Разность начальной и конечной масс превращается в кинетическую (тепловую) энергию продуктов реакции, которые вместе с раскаленными до высоких температур частицами углерода создают пламя, излучая видимый глазом свет. В огне химических реакций происходит то же эйнштейновское преобразование массы в энергию, что и, например, в звездах. К тому же и сам свет, как энергия, рождается в недрах вещества в ходе термоядерных реакций в ядрах звезд.
Можно проследить за превращением энергии в материю и наоборот на примере собственного организма. Начнем с фундаментальных принципов.
Основой биологической жизни на земле является фотосинтез — сложный химический процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических веществ при участии фотосинтетических пигментов. В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция — совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндергонических реакциях.
То есть энергия квантов света превращается в органическое вещество, потребляемое в пищу животным миром, в том числе и после перевода его в мясопродукты. В результате переработки пищи организмом материя становится энергией, необходимой для жизнедеятельности. Так, углеводы расщепляются до состояния глюкозы, восполняющей потребности человеческого организма в энергии. Избыток ее хранится в виде гликогена. Вообще под калорийностью или энергетической ценностью пищи подразумевается количество энергии, которое получает организм при полном ее усвоении.
Во всем процессе существования Вселенной и органической жизни прослеживается трансформация энергии в материю и наоборот. Энергия — это душа материи.
Возвращаясь к черным дырам, можно предположить, что сингулярность — это энергетическая составляющая искаженной области пространства-времени. Гиперновые при взрыве в результате мощнейшего гравитационного коллапса превращают материю ядра звезды в энергию.
Процесс материально-энергетической трансформации черной дыры может происходить с точностью до наоборот по сравнению с так называемым Большим взрывом, в результате которого энергия трансформировалась в материю окружающей нас Вселенной.
Это означает, что при гравитационном коллапсе сверхмассивной звезды вначале атомы распадаются на ядра и электроны. Впоследствии первые продолжают распадаться на протоны и нейтроны, а те — на составляющие их кварки. В этот момент фундаментальные силы объединяются и перестают работать известные нам законы физики, после чего вся материя бывшей звезды трансформируется в энергетическую субстанцию, называемую сингулярностью.
Между прочим, если исходить из теории струн, а именно из того, что каждая элементарная частица представляет собой определенный способ вибрации мельчайших энергетических нитей (лучше всего их можно изобразить в виде струн музыкальных инструментов), то можно представить себе, что при гравитационном коллапсе сверхмассивной звезды все энергетические составляющие элементарных частиц — уже упомянутые струны — сливаются вместе в одну маленькую энергетическую точку. В таком случае сингулярность выглядит как собранные воедино энергетические струны.
Допустим, что при Большом взрыве не вся энергия трансформировалась в материю.
Часть ее сохранилась и была разбросана по просторам зарождающейся Вселенной. Обладая мощной гравитацией или искривлением пространства-времени, эти немалые объемы энергии создавали вокруг себя галактики, превращаясь со временем в сверхмассивные черные дыры, которые до сих пор находятся в центре большинства звездных систем (преимущественно спиральных), характеризующихся большим суммарным вращательным моментом.
Гипотетическая МультивселеннаяВероятно, внутри черной дыры образуются совсем иные миры. Они могут состоять из антивещества, которое ныне незнакомо ученым. Существует предположение, что горизонт событий — это лишь портал, ведущий либо в другой мир, либо в другие точки нашей Вселенной.
Возможен вариант, что материя, трансформированная в энергию черной дырой, вновь материализуется через так называемые белые дыры, которые эту материю выбрасывают в окружающее пространство или создают новые вселенные. В таком случае вселенных должно быть великое множество, как, собственно, и предсказывает теория Мультиверса (Мультивселенной).
Гипотетически можно предположить еще немало вариантов, но оставим эту тему для размышления нашим читателям…
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
Исследование: без дополнительных данных происхождение черной дыры можно «раскрутить» в любом направлении | MIT News
Подсказки к происхождению черной дыры можно найти в том, как она вращается. Это особенно верно для двойных систем, в которых две черные дыры вращаются близко друг к другу перед слиянием. Вращение и наклон соответствующих черных дыр непосредственно перед их слиянием может показать, возникли ли невидимые гиганты из тихого галактического диска или из более динамичного скопления звезд.
Астрономы надеются выяснить, какая из этих историй происхождения более вероятна, анализируя 69подтвержденные двоичные файлы, обнаруженные на сегодняшний день. Но новое исследование показало, что на данный момент текущего каталога двойных файлов недостаточно, чтобы раскрыть что-то фундаментальное о том, как формируются черные дыры.
В исследовании, опубликованном сегодня в журнале Astronomy and Astrophysics Letters, физики Массачусетского технологического института показывают, что когда все известные двойные системы и их спины преобразуются в модели образования черных дыр, выводы могут выглядеть очень по-разному, в зависимости от конкретной модели. используется для интерпретации данных.
Таким образом, происхождение черной дыры можно «раскрутить» по-разному, в зависимости от предположений модели о том, как устроена Вселенная.
«Когда вы меняете модель и делаете ее более гибкой или делаете другие предположения, вы получаете другой ответ о том, как черные дыры образовались во Вселенной», — говорит соавтор исследования Сильвия Бисковяну, аспирант Массачусетского технологического института, работающая в лаборатории LIGO. . «Мы показываем, что людям нужно быть осторожными, потому что наши данные еще не на том этапе, когда мы можем верить тому, что говорит нам модель».
Соавторами исследования являются Колм Талбот, постдоктор Массачусетского технологического института; и Сальваторе Витале, адъюнкт-профессор физики и член Института астрофизики и космических исследований Кавли в Массачусетском технологическом институте.
История двух источников
Считается, что черные дыры в бинарных системах возникают одним из двух путей. Первый — через «полевую двойную эволюцию», в которой две звезды эволюционируют вместе и в конечном итоге взрываются сверхновыми, оставляя после себя две черные дыры, которые продолжают вращаться в двойной системе. В этом сценарии черные дыры должны иметь относительно выровненные спины, поскольку у них было бы время — сначала как звезды, а затем черные дыры — притягивать и тянуть друг друга в сходные ориентации. Ученые полагают, что если черные дыры в бинарных системах имеют примерно одинаковый спин, они должны были развиться в относительно спокойной среде, такой как галактический диск.
Двойные файлы черных дыр также могут формироваться посредством «динамической сборки», когда две черные дыры развиваются отдельно, каждая со своим собственным наклоном и вращением. В результате некоторых экстремальных астрофизических процессов черные дыры в конечном итоге сближаются достаточно близко, чтобы образовать двойную систему.
Такое динамическое соединение, скорее всего, произойдет не в спокойном галактическом диске, а в более плотной среде, такой как шаровое скопление, где взаимодействие тысяч звезд может столкнуть две черные дыры вместе. Если черные дыры двойной системы имеют случайно ориентированные спины, они, вероятно, сформировались в шаровом скоплении.
Но какая часть двоичных файлов формируется через один канал по сравнению с другим? Астрономы считают, что ответ должен лежать в данных, и особенно в измерениях спинов черных дыр.
На сегодняшний день астрономы определили спины черных дыр в 69 двойных системах, которые были обнаружены сетью детекторов гравитационных волн, включая LIGO в США и его итальянский аналог Virgo. Каждый детектор прислушивается к признакам гравитационных волн — очень тонких отражений в пространстве-времени, оставшихся от экстремальных астрофизических событий, таких как слияние массивных черных дыр.
При каждом двойном обнаружении астрономы оценивали соответствующие свойства черной дыры, включая ее массу и вращение.
Они включили измерения спина в общепринятую модель образования черных дыр и обнаружили признаки того, что двойные системы могут иметь как предпочтительный, выровненный спин, так и случайные спины. То есть Вселенная могла производить двойные системы как в галактических дисках, так и в шаровых скоплениях.
«Но мы хотели знать, достаточно ли у нас данных, чтобы провести это различие?» Бисковяну говорит. «И оказывается, все запутано и неопределенно, и это сложнее, чем кажется».
Вращение данных
В своем новом исследовании команда Массачусетского технологического института проверила, могут ли одни и те же данные привести к одинаковым выводам при обработке немного разных теоретических моделей образования черных дыр.
Команда впервые воспроизвела измерения вращения LIGO в широко используемой модели образования черных дыр. Эта модель предполагает, что часть двойных систем во Вселенной предпочитает создавать черные дыры с выровненными спинами, в то время как остальные двойные системы имеют случайные спины.
Они обнаружили, что данные, по-видимому, согласуются с предположениями этой модели и показали пик, где модель предсказывала, что должно быть больше черных дыр с аналогичными спинами.
Затем они немного подкорректировали модель, изменив ее допущения таким образом, что она предсказывала несколько иную ориентацию предпочтительных спинов черных дыр. Когда они обработали те же данные в этой измененной модели, они обнаружили, что данные сместились, чтобы соответствовать новым прогнозам. Данные также произвели аналогичные сдвиги в 10 других моделях, каждая из которых исходила из разных предположений о том, как черные дыры предпочитают вращаться.
«Наша статья показывает, что ваш результат полностью зависит от того, как вы моделируете свою астрофизику, а не от самих данных», — говорит Бисковяну.
«Нам нужно больше данных, чем мы думали, если мы хотим сделать заявление, которое не зависит от сделанных нами астрофизических предположений», — добавляет Витале.
Сколько еще данных потребуется астрономам? По оценкам Витале, как только сеть LIGO снова заработает в начале 2023 года, инструменты будут обнаруживать одну новую двойную черную дыру каждые несколько дней.
В течение следующего года к данным можно добавить еще сотни измерений.
«Измерения вращений, которые у нас есть сейчас, очень неопределенны», — говорит Витале. «Но поскольку мы создаем их много, мы можем получить более качественную информацию. Тогда мы можем сказать, что независимо от деталей моей модели данные всегда рассказывают мне одну и ту же историю — историю, в которую мы могли бы тогда поверить».
Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом.
Загадка первых черных дыр
Представьте вселенную в зачаточном состоянии. Большинство ученых считают, что пространство и время возникли в результате Большого взрыва. После этого горячего и плотного начала космос расширился и остыл, но потребовалось некоторое время, чтобы звезды и галактики начали усеивать небо. Только примерно через 380 000 лет после Большого взрыва атомы смогли скрепиться и наполнить Вселенную в основном газообразным водородом. Когда космосу было несколько сотен миллионов лет, этот газ слился в самые ранние звезды, которые сформировались в скопления, слипшиеся в галактики, самая старая из которых появилась через 400 миллионов лет после рождения Вселенной.
К своему удивлению, ученые обнаружили, что в этот момент начал появляться еще один класс астрономических объектов: квазары.
Квазары — чрезвычайно яркие объекты, питаемые газом, падающим на сверхмассивные черные дыры. Это одни из самых светящихся объектов во Вселенной, видимые из самых дальних уголков космоса. Самые далекие квазары являются и самыми древними, а самые старые среди них таят в себе загадку.
Чтобы быть видимыми на таких невероятных расстояниях, эти квазары должны питаться черными дырами, масса которых примерно в миллиард раз превышает массу Солнца. Тем не менее традиционные теории образования и роста черных дыр предполагают, что черная дыра, достаточно большая, чтобы питать эти квазары, не могла образоваться менее чем за миллиард лет. Однако в 2001 году с помощью Sloan Digital Sky Survey астрономы начали находить квазары, которые датировались более ранним периодом. Самый старый и самый далекий известный квазар, о котором было объявлено в январе 2021 года, существовал всего через 670 миллионов лет после Большого взрыва.
Другими словами, похоже, что в истории Вселенной не было достаточно времени для формирования квазаров, подобных этому.
Многие астрономы считают, что первые черные дыры — черные дыры-семена — это остатки первых звезд, трупы, оставшиеся после того, как звезды взорвались и превратились в сверхновые. Тем не менее, эти звездные остатки должны содержать не более нескольких сотен солнечных масс. Трудно представить сценарий, в котором черные дыры, приводившие в действие первые квазары, вырастали из таких маленьких семян.
Чтобы решить эту загадку, более десяти лет назад мы с коллегами предложили способ, с помощью которого можно было бы засеять черные дыры, достаточно массивные, чтобы объяснить образование первых квазаров без рождения и смерти звезд. Вместо этого эти семена черной дыры образовались бы непосредственно из газа. Мы называем их черными дырами прямого коллапса (DCBH). В подходящих условиях черные дыры прямого коллапса могли бы родиться на расстоянии 10 4 или 10 5 солнечных масс в течение нескольких сотен миллионов лет после Большого взрыва.
С таким преимуществом они могли легко вырасти до 10 9 или 10 10 солнечных масс, тем самым образовав древние квазары, которые озадачивали астрономов почти два десятилетия.
Вопрос в том, был ли этот сценарий на самом деле. К счастью, космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST) должен быть запущен в конце этого года, и мы сможем это выяснить.
Первые семена
Черные дыры — это загадочные астрономические объекты, области, где гравитация настолько велика, что искривляет пространство-время так, что даже свет не может выйти наружу. Только после обнаружения квазаров, которые позволяют астрономам видеть свет, излучаемый материей, падающей в черные дыры, у нас не было доказательств того, что они были реальными объектами, а не просто математическими диковинками, предсказанными общей теорией относительности Эйнштейна.
Считается, что большинство черных дыр образуются, когда очень массивные звезды, масса которых более чем в 10 раз превышает массу Солнца, истощают свое ядерное топливо и начинают остывать и, следовательно, сжиматься.
В конце концов гравитация побеждает, и звезда коллапсирует, вызывая катастрофический взрыв сверхновой и оставляя после себя черную дыру. Астрономы традиционно предполагали, что большинство черных дыр, приводивших в действие первые квазары, тоже образовались таким же образом. Они могли родиться в результате гибели первых звезд Вселенной (звезд Населения III), которые, как мы думаем, образовались, когда первичный газ остыл и раскололся примерно через 200 миллионов лет после Большого взрыва. Звезды населения III, вероятно, были более массивными, чем звезды, родившиеся в более поздней Вселенной, а это означает, что они могли оставить после себя черные дыры массой в несколько сотен солнечных. Эти звезды также, вероятно, сформировались в плотные скопления, поэтому вполне вероятно, что черные дыры, образовавшиеся после их смерти, должны были слиться, дав начало черным дырам массой в несколько тысяч солнечных. Однако даже такие большие черные дыры намного меньше масс, необходимых для питания древних квазаров.
Теории также предполагают, что так называемые первичные черные дыры могли возникнуть еще раньше в космической истории, когда пространство-время могло экспоненциально расширяться в процессе, называемом инфляцией. Первичные черные дыры могли образоваться из-за крошечных флуктуаций плотности Вселенной, а затем вырасти по мере ее расширения. Тем не менее, эти семена будут весить всего от 10 до 100 солнечных масс, что представляет ту же проблему, что и остатки населения III.
Космический телескоп Джеймса Уэбба, который должен быть запущен в 2021 году, будет достаточно мощным, чтобы найти доказательства существования черных дыр прямого коллапса, если они существуют. Кредит: Крис Ганн NASA В качестве объяснения возникновения первых квазаров, каждый из этих путей образования зародышей черных дыр имеет одну и ту же проблему: за первый миллиард лет космической истории семена должны были вырасти чрезвычайно быстро, чтобы образовались самые ранние квазары. И то, что мы знаем о росте черных дыр, говорит нам о том, что этот сценарий крайне маловероятен.
Питание черной дыры
Наше нынешнее понимание физики предполагает, что существует оптимальная скорость питания, известная как скорость Эддингтона, при которой черные дыры наиболее эффективно набирают массу. Черная дыра, питающаяся со скоростью Эддингтона, будет расти экспоненциально, удваиваясь в массе каждые 10 7 лет или около того. Чтобы вырасти до 10 9 солнечных масс, семя черной дыры в 10 солнечных масс должно беспрепятственно поглощать звезды и газ со скоростью Эддингтона в течение миллиарда лет. Трудно объяснить, как целая популяция черных дыр могла так эффективно постоянно питаться.
Фактически, если бы первые квазары выросли из семян черных дыр населения III, они должны были бы питаться быстрее, чем скорость Эддингтона. Превышение этой скорости теоретически возможно при особых обстоятельствах в плотных, богатых газом средах, и эти условия могли быть доступны в ранней Вселенной, но они не были обычным явлением и были бы недолговечными.
Кроме того, исключительно быстрый рост может фактически вызвать «удушье», когда излучение, испускаемое во время этих суперэддингтоновских эпизодов, может нарушить и даже остановить поток массы на черную дыру, остановив ее рост. Учитывая эти ограничения, кажется, что экстремальное пиршество может объяснить несколько странных квазаров, но оно не может объяснить существование всей обнаруженной популяции, если только наше текущее понимание скорости Эддингтона и процесса питания черных дыр не является неверным.
Таким образом, мы должны задаться вопросом, могли ли первые семена черных дыр образоваться через другие каналы. Опираясь на работу нескольких других исследовательских групп, мы с моим коллегой Джузеппе Лодато в 2006 и 2007 годах опубликовали ряд статей, в которых мы предложили новый механизм, который мог бы с самого начала производить более массивные семена черных дыр. Мы начали с больших нетронутых газовых дисков, которые в противном случае могли бы остыть и распасться, образовав звезды и превратившись в галактики.
Мы показали, что эти диски могут обойти этот традиционный процесс и вместо этого схлопнуться в плотные сгустки, образующие затравочные черные дыры весом от 104 до 106 солнечных масс. Такой результат может произойти, если что-то мешает нормальному процессу охлаждения, который приводит к звездообразованию, и вместо этого приводит к тому, что весь диск становится нестабильным, быстро направляя вещество к центру, подобно тому, как вода стекает в слив ванны, когда вы вытаскиваете пробку.
Диски охлаждаются более эффективно, если их газ содержит некоторое количество молекулярного водорода — два атома водорода, связанных вместе — а не атомарный водород, который состоит только из одного атома. Но если излучение звезд в соседней галактике попадает на диск, оно может разрушить молекулярный водород и превратить его в атомарный водород, который подавляет охлаждение, сохраняя газ слишком горячим для образования звезд. Без звезд этот массивный облученный диск мог бы стать динамически нестабильным, и материя быстро стекала бы в его центр, быстро приводя к образованию массивной черной дыры с прямым коллапсом.
Поскольку этот сценарий зависит от присутствия ближайших звезд, мы ожидаем, что DCBH обычно формируются в галактиках-спутниках, которые вращаются вокруг более крупных родительских галактик, где уже сформировались звезды населения III.
Моделирование газовых течений в больших масштабах, а также физика мелкомасштабных процессов поддерживают эту модель образования ВДКГ. Таким образом, идея очень больших первоначальных зародышей кажется осуществимой в ранней Вселенной. И начало с зародышами в этом диапазоне облегчает проблему выбора времени для производства сверхмассивных черных дыр, питающих самые яркие и самые далекие квазары.
В поисках доказательства
Но то, что семена DCBH осуществимы, не означает, что они действительно существуют. Чтобы выяснить это, мы должны искать свидетельства наблюдений. Эти объекты выглядели бы как яркие миниатюрные квазары, сияющие в ранней Вселенной. Они должны быть обнаружены во время особой фазы, когда зародыш сливается с родительской галактикой, и этот процесс должен быть обычным явлением, учитывая, что DCBH, вероятно, формируются в спутниках, вращающихся вокруг более крупных галактик.
Слияние даст семени черной дыры новый обильный источник газа, так что черная дыра должна начать быстро расти. Фактически, он ненадолго превратится в особый вид квазара, который затмит все звезды в галактике.
Эти черные дыры будут не только ярче окружающих их звезд, но и тяжелее, что противоречит обычному порядку вещей. Как правило, звезды в галактике перевешивают центральные черные дыры примерно в 1000 раз. Однако после того, как галактика, в которой находится DCBH, сольется со своей родительской галактикой, масса растущей черной дыры ненадолго превысит массу звезд. Такой объект, называемый галактикой с толстой черной дырой, должен иметь особую спектральную характеристику, особенно в инфракрасном диапазоне длин волн от 1 до 30 микрон, где будут работать прибор среднего инфракрасного диапазона (MIRI) и камера ближнего инфракрасного диапазона JWST (NIRCam). Этот телескоп станет самым мощным инструментом, когда-либо имевшимся у астрономов, для изучения самых ранних этапов космической истории.
Если телескоп обнаружит эти галактики с толстыми черными дырами, это предоставит убедительные доказательства нашей теории DCBH. С другой стороны, традиционные зародыши черных дыр, которые происходят от мертвых звезд, вероятно, будут слишком слабыми, чтобы JWST или другие телескопы могли их увидеть.
Также возможно, что мы могли бы найти другие подтверждения нашей теории. В том редком случае, когда родительская галактика, которая сливается с DCBH, также содержит центральную черную дыру, две дыры столкнутся и выпустят мощные гравитационные волны. Эти волны могут быть обнаружены с помощью космической антенны лазерного интерферометра (LISA), миссии Европейского космического агентства и НАСА, запуск которой ожидается в 2030-х годах.
Полная картина
Вполне возможно, что и сценарий DCBH, и маленькие семена, питающиеся с суперэддингтоновской скоростью, имели место в ранней Вселенной. Фактически, первоначальные зародыши черных дыр, вероятно, образовались обоими этими путями.
Вопрос в том, какой канал создал большую часть ярких древних квазаров, которые видят астрономы? Разгадка этой загадки может сделать больше, чем просто прояснить временную шкалу раннего космоса. Астрономы также хотят более широко понять, как сверхмассивные черные дыры влияют на более крупные галактики вокруг них.
Данные свидетельствуют о том, что центральные черные дыры могут играть важную роль в изменении количества звезд, формирующихся в галактиках, в которых они обитают. Во-первых, энергия, вырабатываемая при падении вещества в черную дыру, может нагревать окружающий газ в центре галактики, тем самым предотвращая охлаждение и останавливая звездообразование. Эта энергия может даже иметь далеко идущие последствия за пределами галактического центра, вызывая отток энергии. Я предсказал существование призрачных теней, которые эти выбросы квазара отпечатают на реликтовом излучении Большого взрыва в 1999; радиоастрономы сообщили о первом обнаружении в декабре 2018 года. Эти ветры, вероятно, нагревают газ во внешних регионах и останавливают там звездообразование.
Однако эти эффекты сложны, и они подтверждают нашу текущую картину образования и роста черных дыр. Обнаружение первых черных дыр может помочь понять, как со временем развивались отношения между черными дырами и принимающими их галактиками.
Эти идеи стали частью большой революции в нашей способности изучать и понимать все массы черных дыр. Например, когда Лазерная интерферометрическая гравитационно-волновая обсерватория (LIGO) впервые обнаружила гравитационные волны в 2015 году, ученые смогли проследить их до двух сталкивающихся черных дыр весом 36 и 29солнечные массы, легкие родственники сверхмассивных черных дыр, питающих квазары. Проект продолжает обнаруживать волны от подобных событий, предлагая новые и невероятные подробности о том, что происходит, когда эти черные дыры сталкиваются и искажают пространство-время вокруг них.
Другой проект под названием Event Horizon Telescope, который использует радиообсерватории, разбросанные по всей Земле, для получения изображений сверхмассивной черной дыры в центре Млечного Пути, сообщил о своих первых открытиях в 2019 году.