В центре почти всех из них есть сверхмассивная черная дыра, но кто появился первым?
«Нужно быть оптимистом; надо надеяться, что где-то будут сделаны новые измерения и что они откроют нам, теоретикам, новые возможности для игры». - Джим Пиблз
Как всегда в конце недели здесь, в Starts With A Bang, пришло время погрузиться в замечательные вопросы и предложения, которые вы присылали, и выбрать один из них, который станет темой этой недели. Спроси Итана. Какое наслаждение было нырнуть в свой почтовый ящик и найти следующий вопрос от Донны из Милуоки, которая спрашивает:
Что было раньше, черная дыра в центре спиральной галактики (рисующий материал для себя) или сначала галактика, а затем черная дыра?
Недавно мы рассмотрели как самые большие, так и самые маленькие черные дыры во Вселенной, и это дает нам прекрасную возможность взглянуть на порядок, в котором формировались различные структуры во Вселенной. Вот как выглядит Вселенная в самом большом масштабе!
В настоящее время Вселенная состоит из нескольких сотен миллиардов и, возможно, более триллиона галактик, масса которых варьируется от нескольких сотых долей процента массы Млечного Пути до тысяч раз больше нашей. Наблюдаемая Вселенная простирается примерно на 46 миллиардов световых лет во всех направлениях от нашего местоположения, сгруппированная в огромную паутинную космическую структуру с огромными сверхскоплениями на пересечениях нитей и огромными пустотами в десятки миллионов световых лет между ними.
Но так было не всегда. На самом деле, это даже близко не было! Когда Вселенная начиналась, она была невероятно однородной. Только за миллиарды лет существования нашей Вселенной вещи стали напоминать то, что мы видим сейчас.
Важно учитывать это - самые большие масштабы во Вселенной - когда мы начинаем рассматривать вопрос этой недели о черных дырах, даже если на первый взгляд эти две темы могут показаться не связанными.
Почему это?
Потому что, если мы задаем вопрос о том, возникли ли большие черные дыры в центрах галактик раньше, чем сами галактики, или галактики образовались сначала, а затем развили черные дыры в своих центрах, мы на самом деле задавая следующий вопрос: вселенная сформировала структуру сначала в самых маленьких масштабах или в самых больших масштабах?
На протяжении десятилетий это был идеологический спор, в первую очередь между американцами, которые выступали за подход «снизу вверх», и Советами, которые выступали за подход «сверху вниз». Вот разница:
- Снизу вверх: Вселенная начинается с флуктуаций большой величины в малых, а не в больших масштабах. Области сверхплотности со временем разрастаются, образуя небольшие массовые скопления, которые растут, сливаются и группируются вместе, в конечном итоге превращаясь в большие галактики и скопления галактик. В этом сценарии сначала образовались бы черные дыры вместе с небольшими звездными скоплениями, и только гораздо позже они превратились бы в то, что мы называем галактиками.
- Сверху вниз: Вселенная начинается с флуктуаций большой величины в больших, а не в малых масштабах. Сверхплотные области, будучи очень большими, гравитационно коллапсируют вниз от трехосных эллипсоидов неправильной формы вдоль их кратчайшей оси, образуя блинообразные структуры, которые распадаются на галактики. В более поздние времена эти галактики эволюционируют и в их центрах вырастают черные дыры; в этом сценарии галактики образовались бы раньше черных дыр.
Долгое время у нас не было данных наблюдений, чтобы сказать, какой из этих подходов был правильным.
Все начало меняться, когда мы обнаружили и начали измерять остаточное свечение Большого взрыва, что дало нам много информации как о самой ранней Вселенной, так и о составе того, что находится во Вселенной сегодня. Вы, вероятно, знакомы со знанием того, что с точки зрения энергии Вселенная состоит (в основном) из темной энергии и темной материи, причем лишь несколько процентов находятся в форме обычной материи и всего около 0,01% в форме излучение, или фотонная энергия.
Мы знаем это из комбинации нескольких линий доказательств, в первую очередь из космического микроволнового фона, наблюдений за крупномасштабной структурой/данными о скоплениях и измерений Вселенной на больших расстояниях, таких как Сверхновые типа Ia.
Это говорит нам о различных энергетических компонентах Вселенной, что невероятно важно, если мы хотим понять, как развивалась Вселенная. Но мы также можем узнать - из некоторых из этих вещей, таких как крупномасштабная структура, обозначенная BAO (для барионных акустических колебаний, которые являются одними из лучших измерений этого) и космического микроволнового фона - о величине и масштабе начальные флуктуации во Вселенной!
Происходят ли они в больших масштабах, в малых масштабах или в обоих, и в какой степени? Какая часть наблюдаемых нами флуктуаций возникает из-за гравитационных и электромагнитных взаимодействий, произошедших после Большого взрыва, и как эти флуктуации изначально распределялись? Космический микроволновый фон многое говорит нам об этом.
В частности, мы узнаем, что первоначальный паттерн флуктуаций масштабно-инвариантен, а это означает, что флуктуации примерно одинаковой величины на всех масштабах, включая самые большие и самые маленькие. Колебательные паттерны, которые мы видим справа, возникают из-за взаимодействия темной материи и обычной материи с излучением во Вселенной под действием гравитации и хорошо изучены.
Но именно плоская форма кривой с левой стороны - самые большие масштабы - показывает нам, что у этой кривой нет наклона, и, следовательно, в сочетании с данными с правой стороны, говорит нам, что Вселенная родилась с флуктуациями примерно равной величины как в малых, так и в больших масштабах, а также во всех промежуточных масштабах. Это на самом деле то, что было довольно хорошо известно уже около 15 лет! Последние данные WMAP и совсем недавно Planck только подтвердили эту картину.
Итак, вы можете подумать, учитывая все это, что мы до сих пор не знаем. Но есть еще одна часть имеющейся у нас информации о том, как формируется структура во Вселенной, которая, как нам кажется, дает ответ. Видите ли, несмотря на то, что зародыши структуры присутствуют во всех масштабах, и оба сегодня способствуют мелкомасштабной и крупномасштабной кластеризации, нисходящая часть этого не играет большой роли на раннем этапе благодаря тому факту, что скорость гравитации в этой Вселенной конечна!
Области сверхплотности на самых маленьких масштабах могут немедленно начать притягивать большее количество близлежащей материи, поскольку скорость гравитации распространяется со скоростью света. С другой стороны, самые большие весы должны ждать, пока пройдет время; те, что имеют диаметр в десятки или сотни миллионов световых лет, должны ждать десятки или сотни миллионов лет, чтобы начать ощущать гравитационную силу притяжения!
Другими словами, и нисходящий, и восходящий сценарии играют роль, но восходящий, в силу того, что начинает с меньшего, получает фору на миллионы лет! И, насколько нам известно, самые первые звезды во Вселенной начинают формироваться менее чем через 100 миллионов лет после Большого взрыва.
У этих звезд населения III, которые первыми образовались во Вселенной из чистого водорода и гелия, многие из самых массивных среди них образуют первые черные дыры во Вселенной. Это то, что не сильно меняется со временем; когда мы получим большое скопление новых звезд, самые массивные из них - самые яркие, самые голубые и самые горячие из них всех - катастрофически умрут, а их ядра рухнут в черные дыры. В самых крайних случаях эти звезды могут быть во много сотен раз тяжелее нашего Солнца, давая начало весьма крупным черным дырам менее чем за несколько миллионов лет с момента их создания!
Итак, насколько нам известно, это то, что мы получаем: Вселенную, в которой звезды и черные дыры формируются на ранней стадии, затем вокруг них формируются галактики, которые образуются в результате слияния этих молодых, небольших областей. Со временем они превратились в огромные сверхмассивные черные дыры и огромные галактики, которые мы видим сегодня. Но для того, чтобы воспроизвести то, что мы видим в нашей Вселенной, нужны исходные флуктуации сопоставимого размера как в малом, так и в большом масштабе.
Знание всего этого позволяет понять, как все структуры во Вселенной формировались, развивались и продолжают расти с течением времени, вплоть до наших дней.
Итак, лучший ответ, который у нас есть, состоит в том, что семена сверхмассивных черных дыр и галактик образовались первыми, и они сформировались примерно в одно и то же время. Но эти черные дыры начинались как довольно большие структуры, вырастая по крайней мере до многих тысяч солнечных масс, прежде чем среда, в которой они находились, могла когда-либо считаться галактиками, и поэтому кажется, что черные дыры появились первыми., но они формируются в областях, которые будут сливаться и расти в большие, богатые галактики в очень короткие сроки.
Итак, спасибо, Донна, за фантастический вопрос и за то, что предоставили нам возможность подробно изучить, как галактики и черные дыры растут - и растут - вместе. Если у вас есть вопрос или предложение для «Спросите Итана» на следующей неделе, отправьте его. Как знать, в следующей колонке может быть ответ на вопрос, который вы только что хотели задать!
Вопросы? Комментарии? Выскажите свое мнение на форуме Starts With A Bang здесь!