Долгое время казалось невозможным, что сверхмассивные черные дыры могут вырасти до таких огромных размеров. Но самая большая проблема теперь решена.
Ключевые выводы
- Самые массивные черные дыры во Вселенной весят миллиарды или даже десятки миллиардов солнечных масс.
- Единственный способ получить такой большой объем - объединить слияния, но давняя «последняя проблема парсека» всегда стояла на пути этого сценария.
- После многих лет споров окончательная проблема парсека больше не является проблемой; вот как это решить.
В центре практически каждой массивной галактики во Вселенной находится однотипная структура: сверхмассивная черная дыра. Эти астрофизические двигатели массой от нескольких миллионов до десятков миллиардов солнечных масс являются самыми экстремальными объектами, известными человечеству. Приводя в действие огромные выбросы и выбросы, связанные с квазарами, блазарами и активными галактическими ядрами, эти объекты, по крайней мере, частично ответственны за формирование и определение судеб родительских галактик, частью которых они являются.
Но как создаются эти экстремальные объекты? У нас есть очень простая и понятная история создания «другого» основного класса черных дыр: черных дыр звездной массы. Когда большая массивная звезда достигает конца своей жизни, она может либо погибнуть в результате коллапса ядра сверхновой, либо полностью коллапсировать, породив черную дыру массой в десятки или, вполне возможно, сотни. Но как заставить их вырасти до миллиардов солнечных масс, особенно на столь раннем этапе истории Вселенной, когда самые ранние квазары показывают, что они были такими огромными очень рано? Долгое время это казалось невозможным из-за «последней проблемы парсека».” Вот почему, наконец, это больше не проблема.
Этот 20-летний таймлапс звезд вблизи центра нашей галактики взят из ESO, опубликованного в 2018 году. Обратите внимание, как резкость и чувствительность деталей становятся более четкими и улучшаются ближе к концу, и как все центральные звезды вращаются вокруг невидимой точки: центральной черной дыры нашей галактики, что соответствует предсказаниям общей теории относительности Эйнштейна.
В начале горячего Большого Взрыва не было ничего, даже напоминающего черную дыру. Не было больших разрушенных масс; нет чрезвычайно больших перегрузок; ничего, что могло бы даже послужить семенами этих беглых структур. Все, что у нас было, это области - на всех космических шкалах расстояний, от космических до субатомных, - где общая плотность немного отличалась от средней плотности.
Да, это изначально сверхплотные области, которые со временем вырастут в современную структуру, которую мы видим во Вселенной:
- планеты
- звезды
- галактики
- скопления галактик
- сверхмассивные черные дыры
Но им нужно очень много времени, чтобы добраться туда. Причина проста: мы измерили величину флуктуаций, существовавших на очень раннем этапе истории Вселенной, и она очень мала. Как правило, область космоса будет отличаться от средней плотности всего на 0,003%, при этом экстремальная плотность, составляющая один к нескольким миллионам, может быть на 0,015% выше средней. Эти маленькие семена со временем вырастут в интересную структуру, но потребуется время: десятки или сотни миллионов лет, чтобы даже образовались самые первые звезды.
Первые звезды во Вселенной будут окружены нейтральными атомами (в основном) газообразного водорода, который поглощает звездный свет. По мере того, как впоследствии формируются новые поколения звезд, Вселенная становится реионизированной, что позволяет нам полностью видеть звездный свет и исследовать основные свойства наблюдаемых объектов. Эти массивные звезды непропорционально образуют черные дыры звездной массы.
К счастью, этого должно быть вполне достаточно, чтобы начать процесс роста сверхмассивной черной дыры. Как только в одном месте накопится достаточно массы, гравитация заставит его начать коллапсировать. Поскольку на этой ранней стадии присутствуют только водород и гелий, количество массы, необходимое для запуска этого коллапса, намного больше, чем сегодня, и звезды, которые образуются в результате, также будут намного массивнее. В то время как средняя звезда, которая формируется сегодня, составляет всего около 40% массы Солнца, ожидается, что средняя «первая звезда» во Вселенной будет более чем в десять раз массивнее нашего Солнца.
Когда звезды настолько массивны, их жизнь очень коротка: всего несколько десятков миллионов лет. Кроме того, самые массивные сформировавшиеся звезды будут во много сотен, а то и тысяч раз массивнее нашего Солнца, и они могут прожить всего один или два миллиона лет, прежде чем превратиться в черные дыры. Если у вас есть подобная «зародышевая» черная дыра, которую вы потенциально могли бы сформировать, когда Вселенной всего 50-200 миллионов лет, она может расти, аккрецируя материю с максимально возможной скоростью: предел Эддингтона. Если мы сделаем это, то сможем почти, но не совсем, заставить черные дыры вырасти до размеров, которые мы видим, за достаточно короткое время. Почти, но не совсем.
Если вы начнете с исходной черной дыры, когда Вселенной было всего 100 миллионов лет, существует предел скорости, с которой она может расти: предел Эддингтона. Либо эти черные дыры изначально крупнее, чем предполагают наши теории, либо формируются раньше, чем мы понимаем, либо они растут быстрее, чем наше нынешнее понимание позволяет достичь наблюдаемых значений массы.
Но это не означает, что формирование или рост этих сверхмассивных черных дыр является проблемой, потому что мы упустили один важный ингредиент: слияния и формирование крупномасштабных структур. Конечно, самые первые звезды могли дать начало черным дырам, и эти черные дыры могли затем расти, но они не делают этого изолированно. Когда звезды формируются, они формируются в скопления, часто с сотнями, тысячами или даже большим количеством их одновременно.
Когда формируются первые звезды, они формируются по всей Вселенной: в изначально сверхплотных областях вблизи и вдали, где бы вы ни начинали.
И по мере того, как Вселенная стареет, она не только расширяется, но и притягивается. Эти ранние звездные скопления сливаются вместе, образуя протогалактики и, в конечном итоге, полноценные галактики. Комбинация притекающей материи из окружающих пространственных областей и слияний, как больших, так и малых, может объединить многие из этих черных дыр в одну и ту же галактику после слияния.
Серия кадров, показывающих слияние Млечного Пути и Андромеды и то, как небо будет выглядеть иначе, чем Земля, когда это произойдет. Когда эти две галактики сольются, их сверхмассивные черные дыры, как ожидается, тоже сольются вместе.
А теперь самое интересное. Если мы сможем заставить эти многочисленные черные дыры разных размеров и масс - на разных стадиях роста и эволюции - встретиться в центре галактики и слиться воедино, у нас не будет проблем с образованием сверхмассивной черной дыры. Но если есть какое-то явление, препятствующее их встрече, слиянию или иному росту до обязательно больших масс, которыми они должны обладать за достаточно короткий промежуток времени, у нас будут проблемы. Мы могли бы даже заключить, как некоторые говорили в последние годы, что эти сверхмассивные черные дыры вполне можно считать «невозможными» в некотором смысле.
Первый шаг довольно прост. Когда галактики сливаются, они полны газа, пыли и звезд, в дополнение к черным дырам и какой бы то ни было темной материи. Когда эти черные дыры проходят через этот материал относительно друг друга, материал гравитационно рассеивается во всех направлениях, что эффективно замедляет эти черные дыры. В симуляции за симуляцией черные дыры обычно располагаются относительно близко друг к другу: в пределах от 1 до 10 световых лет друг от друга. Этот процесс торможения вызван явлением, которое мы называем динамическим трением, и оставит нас с двумя черными дырами, вращающимися вокруг друг друга на этом относительно небольшом космическом расстоянии.
Когда несколько черных дыр появляются в одной окрестности друг с другом, они будут взаимодействовать с окружающей средой через динамическое трение. По мере того, как материя либо поглощается, либо выбрасывается, черные дыры становятся более сильно гравитационно связанными.
Последний шаг тоже довольно прост: гравитационная спираль и слияние двух связанных масс, вращающихся по взаимной орбите. Одним из величайших научных открытий последнего десятилетия стала идентификация вдыхания и слияния черных дыр с помощью детекторов гравитационных волн, таких как LIGO и Virgo. Всякий раз, когда любые две массы вращаются вокруг друг друга, действие каждой массы, путешествующей в пространстве, вызывает изменение кривизны этого пространства, в то время как движение каждой массы через ту область, где кривизна сама по себе изменяется, приводит к излучению гравитационного излучения.
Эти ряби в пространстве-времени, также известные как гравитационные волны, уносят энергию из системы, что приводит к распаду орбиты, спирали и, в конечном итоге, к слиянию.
Для любой системы из двух черных дыр, основываясь исключительно на их массах и их начальном орбитальном расстоянии друг от друга, мы можем рассчитать шкалу времени, необходимую для их слияния. Если вы хотите вырастить сверхмассивные черные дыры из этих кандидатов-предшественников, вам просто нужно, чтобы они находились в пределах 0,01 светового года друг от друга. Еще ближе, и Вселенная предоставит вам достаточно времени, чтобы гравитационные волны сделали свое дело и ваши черные дыры слились воедино.
Численное моделирование гравитационных волн, излучаемых спиралью и слиянием двух черных дыр. Цветные контуры вокруг каждой черной дыры представляют собой амплитуду гравитационного излучения; синие линии представляют орбиты черных дыр, а зеленые стрелки представляют их вращения.
В течение многих лет эти две части головоломки были известны, но важный промежуточный шаг отсутствовал. Когда галактики сливаются вместе, две самые большие черные дыры опускаются к центру и начинают вращаться вокруг друг друга. Но к тому времени, когда они находятся всего в нескольких световых годах друг от друга, вся эта промежуточная материя исчезает. Без звезд, газа, пыли или других массивных объектов динамическое трение не приблизит нас.
Но если мы сначала не подойдем намного ближе, примерно в 500 раз или около того, гравитационные волны не приведут к слиянию этих черных дыр. Они все еще болтались бы там даже сегодня, в нескольких световых годах друг от друга, так как не смогли слиться.
Вот почему считалось, что последняя проблема парсека представляет такую трудность для теорий образования сверхмассивных черных дыр. Если вы не можете заполнить этот критический промежуточный шаг - перейти от слишком широкой орбиты к достаточно узкой, где за разумное время произойдет слияние черной дыры с черной дырой, - тогда у вас нет успешного объяснения. как на самом деле формируются эти сверхмассивные черные дыры. К счастью, есть факторы, которые мы не учли и которые могут заполнить этот пробел.
Когда массивная частица проходит мимо большого количества других частиц, с которыми она испытывает только гравитационное взаимодействие, она может испытывать динамическое трение, когда движущаяся частица замедляется вследствие ее гравитационного взаимодействия с частиц в среде, через которую он проходит. Когда несколько масс связаны вместе, промежуточные массы могут привести к тому, что исходные большие массы станут более тесно связанными.
Один важный фактор: другие массы существуют! Есть сгустки материи всех видов - звезды, звездные трупы, планеты, газовые облака, шаровые скопления, потоки плазмы, выбросы сверхновых и т. д. - которые будут мигрировать вниз к галактическому центру и в конечном итоге пройдут рядом с вдохновляющей черной звездой. отверстия. Когда они это делают, в игру вступает увлекательное явление: сильное расслабление.
Всякий раз, когда у вас есть несколько масс в гравитационном танце, неизбежно происходит следующее:
- Все эти массы будут взаимно гравитационно взаимодействовать.
- Эти взаимодействия придают «толчки» или изменения импульса каждой массе.
- Наименьшие массы, когда они получают заметные изменения в импульсе, получают большие изменения в своей скорости.
- Это либо подбрасывает небольшие массы на более высокие, более слабо связанные орбиты, либо может даже полностью их выбросить.
- Импульс и угловой момент, которые они уносят, исходят из всей системы, оставляя оставшиеся массы более тесно связанными.
Хотя насильственная релаксация чаще применяется к системам звезд, таким как звездные скопления и эллиптические галактики, она одинаково хорошо работает для любой системы масс, взаимодействующих под действием силы тяжести.
Когда несколько масс взаимодействуют под действием их собственной взаимной гравитации, меньшие массы имеют тенденцию получать более сильные толчки, когда они выбрасываются на более высокие орбиты или полностью выбрасываются, что часто приводит к появлению сверхскоростных объектов. Тем временем оставшиеся объекты оказываются еще более тесно связанными с точки зрения гравитации.)
Есть и другие факторы, которые могут облегчить формирование сверхмассивных черных дыр. Этот бурный процесс релаксации также должен происходить на ранней стадии: когда из первых звезд формируются первые черные дыры. Если первоначальное звездное скопление достаточно массивное, этот процесс может привести к возникновению черных дыр с массой от 10 000 до 1 000 000 масс Солнца еще до того, как эти скопления начнут сливаться в протогалактики.
Предел Эддингтона, или максимальная скорость, с которой могут расти черные дыры, специально рассчитан для сферически-симметричного распределения вещества, аккрецирующего на объект. Но реальные структуры во Вселенной, особенно структуры, состоящие из обычной барионной материи, сильно асимметричны по сравнению со сферой. В результате суперэддингтоновская аккреция фактически должна быть нормой, когда речь идет о росте сверхмассивных черных дыр.
И, наконец, просто взглянув на центральную сверхмассивную черную дыру в нашей собственной галактике, Стрелец A, мы увидим, что ее рентгеновское излучение сильно меняется со временем. Есть периоды вспышек и периоды затишья; всплески и тишина. Это учит нас тому, что материя постоянно, но не непрерывно, падает и течет в черную дыру, где она ускоряется, и мы видим электромагнитные последствия. Если это происходит здесь и сейчас, то, вероятно, это происходит где-то еще и часто. Это может привести либо к дополнительной резкой релаксации, либо, наоборот, к перезапуску процесса динамического трения каждый раз, когда это происходит.
Сверхмассивная черная дыра в центре нашей галактики, Стрелец A, излучает рентгеновское излучение в результате различных физических процессов. Вспышки, которые мы видим в рентгеновских лучах, указывают на то, что материя течет неравномерно и прерывисто на черную дыру, что приводит к вспышкам, которые мы наблюдаем.
Долгое время считалось, что история сверхмассивных черных дыр будет простой и прямолинейной. Вы сформируете первые звезды, они умрут и превратятся в черные дыры, эти черные дыры будут расти, а затем вы получите сверхмассивные черные дыры, которые мы видим сегодня. С сегодняшними знаниями мы можем окончательно заявить, что эта картина слишком проста и наивна, чтобы работать.
Однако, если учесть всего несколько дополнительных, более реалистичных факторов, образование сверхмассивной черной дыры больше не кажется невозможным. Признавая важность и повсеместность слияний, как семена черных дыр, так и более зрелые сверхмассивные черные дыры могут вырасти во много раз по сравнению с их первоначальным размером за короткий промежуток времени. Сочетание динамического трения, а также непрерывно падающей и взаимодействующей материи может привести к тому, что несколько черных дыр будут находиться на расстоянии вдоха и слияния в вполне подходящие временные масштабы. В мгновение ока сверхмассивные черные дыры находятся в центре каждой большой современной галактики.
Есть еще много фрагментов истории, которые еще предстоит раскрыть, но ясно одно: окончательная проблема парсека больше не является «невозможной» проблемой для решения. Двойные сверхмассивные черные дыры могут быть еще более распространены, чем мы знаем о них в настоящее время, поскольку будущие обсерватории, такие как Lynx, еще могут открыть. Но когда мы видим единственную сверхмассивную черную дыру в центре галактики, больше нет причин сомневаться в том, что такие объекты могут существовать в нашей Вселенной, какой мы ее знаем. То, что мы видим, на самом деле то, что мы получаем, и уже не является неразгаданной загадкой, что эти объекты вообще образовались.