Обнуляем подання: нова модель народження надмасивних чорних дір

Надмасивні чорні діри — об'єкти, в сотні мільйонів або навіть мільярдів разів масивніше звичайної зірки, — мабуть, найбільш загадкові об'єкти сучасної астрофізики. Вони ховаються в серцях більшості великих галактик, включаючи і наш Чумацький Шлях. Враховуючи їх настирливість, ці чорні діри можуть грати життєво важливу роль у формуванні й еволюції Всесвіту. Але як вони стали настільки масивними — це питання до цих пір турбує теоретиків всього світу.

Саме розумне припущення — що ці чудовиська змогли вирости настільки, лише поглинаючи величезну кількість газу протягом мільярдів років — сьогодні спростовано. Останні спостереження показали існування чорних дір, які були в мільярди разів масивніше Сонця вже через 800 мільйонів років після Великого Вибуху. І знову питання: як вони погладшали настільки швидко? Більшість астрофізиків сходяться на думці, що надмасивні чорні діри повинні були вилупитися з невеликих «насіння» чорних дірок. Просто не зовсім зрозуміло, наскільки скромним повинно бути таке насіння. Одна школа думки вважає, що насіннєві чорні діри мають бути великими — тисячі чи десятки тисяч сонячних мас; інша — що насіння можуть бути невеликими — не більше сотні сонячних мас.

Обидва табори повинні якось приборкати той факт, що чорні діри — це ненажерливі їдці. Гравітація може стягувати газ рівно до того моменту, поки навколо чорної діри не почне накопичуватися речовина, утворюючи білий гарячий диск, випромінюючий інтенсивну радіацію і відштовхуючий приходить газ, таким чином відрізаючи постачання продовольства. Це називається межею Еддінгтона. Вважається, що він серйозно знижує швидкість, з якою чорна діра може поглинати речовину і рости. Перевага моделей, що використовують невеликі насіння, в тому, що такі напівсередні чорні діри досить легко виготовити; недолік у тому, що для швидкого перетворення в надмасивні чорні діри вони повинні минути межа Еддінгтона і, покладаючись на різні можливі винятки, обходити його обмеження. Моделі з великим насінням, навпаки, дотримуються межа, надаючи сверхмассивным чорним дірам високий старт, щоб вони могли з'їсти якомога більше газу, перш ніж досягнуть межі — але більш великі насіння складніше і зробити. Гігантські хмари газу, який може коллапсировать з утворенням великих насіння, може розпадатися на невеликі клаптики, утворюючи скупчення зірок, а не великі чорні дірки.

Незалежно від того, чи виступаєте ви за великі або маленькі насіння, «було багато теорій, які намагаються пояснити існування або складання надмасивних чорних дір, але жодна з них не запропонувала природного рішення», говорить Наокі Йошида, астрофізик Токійського університету. Йошида є прихильником великих насіння, а також співавтором статті, опублікованій минулого тижня в журналі Science. У ній він розповів, як надмасивні чорні діри сформували несподівано велику популяцію оних в юної Всесвіту. Його «природне рішення» передбачає високошвидкісні потоки газу, поточні через Всесвіт після Великого Вибуху і виступають важливим каталізатором. Зокрема, воно покладається на передбачуване взаємодія між гамильтонианом і темною матерією — таємничим невидимою речовиною, яка, мабуть, діє як гравітаційний клей для галактик.

Вирощуючи чорну діру

Разом з колегами в Техаському університеті в Остіні і Університеті Тюбінгена в Німеччині Йошида використовував комп'ютерні симуляції для відтворення умов в ранній Всесвіту, задавши космологічні параметри, на зразок густини темної матерії, які астрономи вирахували, вимірюючи складу ранньої Всесвіту.

«Ми спробували відтворити це початковий стан як можна ближче до реальних спостереженнями», говорить Йошида, «і дали Всесвіту час на розвиток».

Згідно моделированиям вчених, в деяких частинах Всесвіту гравітація темної матерії могла захоплювати швидко рухомі потоки первинного водню і гелію, що залишилися після Великого Вибуху. Трохи пізніше, як з'ясували вчені, ці перші гази розганялися в деяких областях до диких швидкостей — ставали «швидким вітром», як каже Йошида. «Ви повинні уявляти, наскільки важко зловити газ, який дуже швидко рухається», говорить Йошида. Підставте під руку пожежний шланг — і вода миттєво відіб'є її. «Єдиний спосіб зупинити цей сильний вітер — застосувати досить сильну гравітацію», говорить він. Вчені підрахували, що на кожні три мільярди світлових років в ранній Всесвіту було досить темної матерії, щоб її гравітація могла захопити такий вітер — ніби направити протягом річки назад. Це тяжіння між газом і темною матерією створило велика газова хмара і не дало сформуватися невеликим зірок на шляху.

Змодельована газова хмара потім коллапсировало в масивну зірку, яка продовжувала поглинати більше газу, поки не досягла 34 000 сонячних мас. Ця надзвичайно масивна гіпотетична зірка могла досягти такої величини тільки в тому випадку, якщо б складалася з чистих водню з гелієм — двох елементарних газів, які кружляли в ранній Всесвіту до того, як перші зірки стали надновими, з яких згодом вийшли важкі елементи — вуглець, азот, кисень. Подібні ідеї висловлювалися й раніше, але робочу модель представили вперше.

«Наше комп'ютерне моделювання показало, що такого роду явища дійснотрапляються, а такі великі зірки дійсно можуть сформуватися», говорить Йошида. Набравши гігантську масу, зірка нарешті колапсує і стає насінням для надмасивної чорної діри. Йошида вважає рішення остаточним і природним. Але не всякий з ним погодиться.

Відповідь хороший, але…

Інші вчені, які цілком схвалюють гіпотезу з великими насінням, інакше бачать початкове формування цих насіння. Нещодавно опубліковане дослідження в Nature Astronomy, наприклад, передбачає, що такі насіння формуються в процесі дивних рухів темної матерії, а швидше із-за поведінки звичайних зірок в галактиках. За таким сценарієм потужні сплески ультрафіолетового світла в процесі бурхливого утворення зірок в юної галактиці неподалік будуть заважати формування зірок в гігантському газовому хмарі, так що він буде залишатися порожнім досить довго, щоб в кінцевому підсумку коллапсировать в чорну діру з масою до 100 000 сонячних.

Джон Вайс, астрофізик Технологічного інституту Джорджії і співавтор дослідження в Nature Astronomy, вважає, що ця нова робота буде важливим кроком вперед у цій області, тому що Йошида і його колеги першими змоделювали наслідки рухів першого газу для формування надмасивних чорних дір. Але він каже, що їх теорія не заперечує його власної.

«Я думаю, є багато способів сформувати надмасивну чорну діру», говорить він. «Це лише один із них, цілком можливий». При цьому він додає, що знайти настільки швидко рухомі гази в ранній Всесвіту було б нелегко. Шанси натрапити на такі вітри в ранній Всесвіту, на думку Йошиды, становлять близько 0,3%. Але і гігантські газові хмари, що сусідять з юними фабриками по виробництву зірок, теж будуть рідкістю, вважає учений. «Навіть не знаю, яка ймовірність такої події», говорить Йошида.

Грег Брайан, астрофізик Колумбійського університету і головний автор роботи в Nature Astronomy, високо оцінює нові результати. «Це не остаточна відповідь, але поки він найкраще підходить для цього конкретного режиму формування чорних дірок», говорить він. Його також турбує, наскільки близько таке моделювання до формування невеликих зірок. Щоб сформувалася чорна діра, перші гази повинні були зібратися в дуже невеликій області, чого могло б і не статися, якби вони виявилися розбитими невеликими скупченнями зірок. Якщо трохи змінити умови моделювання, масивне насіння не утворюється. «З іншого боку, мені подобається їх модель, я їй вірю», додає Брайан.

Фульвіо Меліа, астрофізик Арізонського університету, не в захваті від цієї теорії. «Автори покладаються на купу невідомої фізики, як всі інші припущення про формування масивних насіння або швидкому зростанні подібних об'єктів», говорить він. «Їм варто було б зробити конкретні припущення про поведінку темної матерії, але адже ми навіть не знаємо, що воно таке».

Зерно сумніву

Щоб остаточно відповісти на запитання про те, як з'являються ці масивні тварини, вчені вказують на майбутню можливість спостереження цих «насіння» в ранній Всесвіту з використанням телескопів наступного покоління. Така можливість з'явиться незабаром. Вже висунуто кілька ініціатив, наприклад, місія ЄКА ATHENA, яка готується до запуску в 2028 році і зможе вловити рентгенівські викиди цих надмасивних гігантів. Ось-ось запрацює космічний телескоп Джеймса Вебба, який займеться вивченням перших зірок і галактик Всесвіту.

«Цікаво те, що ці ідеї можна буде перевірити вже у наступні кілька років, тому що люди займуться пошуком цих об'єктів по всьому небу», говорить Меліа.