Такие массивные, ранние сверхмассивные черные дыры десятилетиями озадачивают астрономов. Наконец-то мы выяснили, как они формируются.
Ключевые выводы
- Согласно Большому Взрыву, Вселенная возникла около 13,8 миллиардов лет назад: горячая, плотная, быстро расширяющаяся и с очень малыми несовершенствами относительно ее однородной плотности.
- И все же, даже когда мы оглядываемся на первые ~миллиарды лет космической истории, мы находим сотни черных дыр, которые весят сотни миллионов или даже миллиарды солнечных масс.
- Это давняя загадка: как эти черные дыры образовались так рано и так быстро стали такими массивными? После многих лет исследований мы наконец-то взломали код Вселенной.
Что бы вы увидели, если бы могли заглянуть в прошлое каждого человека на Земле и увидеть его таким, каким он был, когда ему было 5 лет? Вы ожидаете увидеть людей, обладающих самыми разнообразными чертами: некоторые невысокие и некоторые высокие, некоторые тяжелые и некоторые легкие, у некоторых ноги больше, а у некоторых меньше и т. д. Однако, несмотря на это разнообразие, вы полностью ожидайте, что все они будут выглядеть как 5-летние дети; вы были бы шокированы, если бы нашли человека, похожего на подростка, молодого человека или даже взрослого человека среднего возраста. Если бы это было так, это заставило бы вас задаться вопросом - и правильно - действительно ли то, что вы видите, отражает реальность.
Но во Вселенной именно это и происходит, когда мы смотрим на самые ранние, самые яркие и самые активные галактики, содержащие черные дыры. Теоретически должно быть ограничение на:
- насколько рано могут образоваться первые звезды (и, следовательно, первые черные дыры),
- сколько больших черных дыр вы можете создать из этих первых звезд,
- и как быстро эти черные дыры могут увеличиваться в массе.
И все же каким-то образом даже в первые несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва мы видим свидетельства существования сверхмассивных черных дыр, которые намного массивнее, чем позволяют эти ограничения. Хотя на это ушло 19 лет, группа исследователей в новой статье в журнале Nature утверждает, что все выяснила. Вот как, по нашему мнению, на самом деле это делает Вселенная!
Области сверхплотности из ранней Вселенной растут и растут со временем, но ограничены в своем росте как начальными малыми размерами сверхплотностей, так и наличием еще энергичного излучения, препятствующего структурированию расти быстрее. Для образования первых звезд требуется от десятков до сотен миллионов лет; однако сгустки материи существуют задолго до этого.
Первое, что вы должны понять, это то, что в самом начале горячего Большого взрыва Вселенная почти идеально однородна. Если бы вы нарисовали сферу вокруг любой области пространства - независимо от размера вашей сферы - вы бы обнаружили, что заключили в нее определенное количество массы. Если затем вы возьмете эту сферу того же размера и охватите 1000 различных областей точно такого же размера, вы обнаружите, что:
- около 683 регионов имели от 99,997% до 100,003% средней плотности,
- около 954 регионов имели от 99,994% до 100,006% средней плотности,
- около 997 регионов имели от 99,991% до 100,009% средней плотности,
- и все 1000 регионов имели от 99,988% до 100,012% средней плотности.
Другими словами, в начале горячего Большого взрыва даже самые плотные регионы содержали лишь немного больше массы, чем в среднем.
В результате, наряду с физикой эволюции материи и излучения в ранней Вселенной, мы можем рассчитать, сколько времени, по нашим ожиданиям, потребуется, чтобы даже изначально самые плотные области собрали достаточно материи для образования первые коллапсирующие объекты: звезды и черные дыры среди них. Хотя здесь, конечно, есть неясности, мы все согласны с тем, что для формирования самых первых звезд требуются десятки миллионов лет, и что первая крупная волна звездообразования во Вселенной произойдет не раньше, чем между 100 и 200 годами. Прошло миллион лет.
Самые первые звезды, сформировавшиеся во Вселенной, отличались от нынешних звезд: они не содержали металлов, были чрезвычайно массивны и предназначались для превращения в сверхновую, окруженную газовым коконом. Планеты, по крайней мере планеты, образованные по сценарию аккреции ядра, должны быть практически невозможны в течение многих сотен миллионов лет после появления этих первых звезд.
После того, как они сформируются, самые массивные среди этих первых звезд, как ожидается, будут жить только в течение короткого промежутка времени: 2 миллиона лет или меньше, прежде чем их ядра коллапсируют и образуются черные дыры. Учитывая, что самая массивная известная одиночная звезда во Вселенной на сегодняшний день - R136a1 в туманности Тарантул Большого Магелланова Облака - весит примерно в 260 раз больше массы Солнца, разумно предположить в качестве отправной точки, что самая ранняя черная дыры также могут иметь массу, возможно, в несколько сотен солнечных.
Главный вопрос заключается в том, насколько рано мы можем сформировать эти затравочные черные дыры, и как быстро они могут расти и набирать массу по мере эволюции Вселенной?
Если мы будем придерживаться раннего конца временного спектра, мы сможем сформировать их всего через 100 миллионов лет после Большого взрыва. Затем, если вы спросите, как они растут, законами физики установлен предел того, как быстро может расти отдельная масса за счет накопления окружающей ее материи: предел Эддингтона. Это позволяет нам спрогнозировать, насколько массивными черным дырам должно быть позволено достичь заданного промежутка времени. Это здорово, потому что тогда все, что нам нужно сделать, это выйти и измерить массы сверхмассивных черных дыр, питающих самые ранние и самые энергичные квазары, и посмотреть, согласуются ли наши наблюдения с тем, что мы предсказываем.
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. Изучение гибридов квазара и галактики может дать ключ к разгадке этой тайны.
И здесь возникает загадка. Сейчас мы нашли квазары со сверхмассивными черными дырами массой от 500 миллионов до чуть более 1 миллиарда солнечных масс, которые датируются временем, когда возраст Вселенной составлял около ~700 миллионов лет: всего 5% от ее нынешнего возраста.
Когда мы делаем это, мы обнаруживаем, что видим не просто пресловутых 5-летних людей с разным ростом, весом, размером стопы и другими свойствами. Как будто некоторые из этих 5-летних детей ростом со взрослых баскетболистов, достигая размеров, которых мы не ожидали, пока они не станут намного, намного старше.
Иными словами, что-то не сходится. Эти самые ранние сверхмассивные черные дыры стали больше, чем мы ожидаем, что они должны были дать то, что мы знаем о Вселенной и о том, как законы физики работают с течением времени.
В недавнем прошлом было выдвинуто множество идей, объясняющих почему, но все они делятся на три категории.
- Возможно, мы правильно определили размер зародыша и время, но ошиблись в росте, и что массы черных дыр растут быстрее, чем мы думаем.
- Возможно, у нас неверный размер зародыша, и что возможны более крупные космические зародыши, обусловленные такими процессами, как структурообразование или гораздо большая начальная масса самых тяжелых звезд.
- Или, возможно, наша картина не соответствует действительности, и Вселенная на самом деле была рождена черными дырами, которые образовались раньше, чем любые звезды: набор первичных черных дыр.
Если Вселенная родилась с первичными черными дырами, то это совершенно нестандартный сценарий, и если эти черные дыры послужили зародышем сверхмассивных черных дыр, пронизывающих нашу Вселенную, то будут признаки того, что в будущем обсерватории, такие как космический телескоп Джеймса Уэбба, будут чувствительны к.
Для первого варианта верно то, что несферическая аккреция может привести к тому, что черные дыры будут расти быстрее, чем предел Эддингтона, но этот тип аккреции с трудом сохраняется в течение длительных периодов времени. Даже если мы допускаем всплески более быстрого, чем ожидалось, роста, по-прежнему очень трудно объяснить, как так много сверхмассивных черных дыр - а сейчас их открыто около 200 в очень ранние космические времена - испытали то, что должно было быть редким и переходные условия для таких стойких эпох.
Для третьего варианта это начинается как удивительно непривлекательное предложение: нам пришлось бы постулировать какую-то новую, невиданную ранее физику, чтобы создать «всплеск» в спектре масс в определенной точке. ценить. Чтобы создать первичную черную дыру, вам нужна область пространства с плотностью выше 168% от средней космической на ранних стадиях расширяющейся Вселенной. Но помните: мы только что сказали, что около ~ 100% всех ранних регионов в космосе имеют плотность от 99,988% до 100,012% от средней плотности. Если вы не изобретете какой-нибудь новый способ получения флуктуаций сверхбольшой величины в очень маленьком и специфическом космическом масштабе (и никак иначе), этот сценарий не может реализоваться.
Самая большая группа новорождённых звёзд в нашей Местной группе галактик, скопление R136, содержит самые массивные звёзды, которые мы когда-либо открывали: самая крупная из них более чем в 250 раз превышает массу нашего Солнца. Самые яркие из обнаруженных здесь звезд более чем в 8 000 000 раз ярче нашего Солнца. И тем не менее, эти звезды достигают температуры только до ~ 50 000 K, а белые карлики, звезды Вольфа-Райе и нейтронные звезды становятся все более горячими.
Однако все еще есть надежда, что эта проблема - или, скорее, эта кажущаяся проблема - может просто оказаться результатом обычной, приземленной, заурядной астрофизики. Конечно, затравочная черная дыра в несколько сотен масс Солнца в эпоху примерно 100 миллионов лет после Большого взрыва не вполне справится с этой задачей, но если бы мы могли создать затравочные черные дыры, которые были бы в сто раз более массивными, той же, ранней эпохи, которая обеспечила бы выход. Если бы Вселенная могла породить черную дыру в несколько десятков тысяч солнечных масс всего через ~100 миллионов лет после Большого взрыва, это сняло бы напряженность.
Состав Вселенной еще до того, как сформировались самые первые звезды, дает потрясающий ключ к тому, что это возможно. Сегодня звезды образуются в результате коллапса газовых облаков, состоящих в основном из водорода и гелия, но приправленных небольшим количеством более тяжелых элементов: кислорода, углерода, азота, неона, кремния, серы, кальция, магния и железа, среди прочих. В первую очередь именно тяжелые элементы позволяют этим газовым облакам охлаждаться и коллапсировать, создавая звезды со средней массой в 40% от массы Солнца. Конечно, мы могли бы сформировать несколько очень массивных звезд с массами в 50, 100 или даже 200 масс Солнца и более, но лишь крошечная часть из них будет достаточно массивной, чтобы стать сверхновой и/или оставить остаток черной дыры. позади.
На фотографиях в видимом и ближнем ИК-диапазоне, сделанных Хабблом, видна массивная звезда, примерно в 25 раз превышающая массу Солнца, которая прекратила свое существование без сверхновой или какого-либо другого объяснения. Прямой коллапс является единственным разумным возможным объяснением и одним из известных способов, помимо слияния сверхновых или нейтронных звезд, впервые сформировать черную дыру.
Однако раньше звездообразование должно было происходить иначе. Без какого-либо из этих тяжелых элементов самый эффективный способ охладить облака газа, которые пытаются сжаться под действием силы тяжести, по-прежнему чрезвычайно неэффективен: иметь нейтральный молекулярный водород, излучающий это тепло. При таком неэффективном способе охлаждения молекулярные облака должны стать намного массивнее, чтобы схлопнуться, и ожидаемые звезды, которые они сформируют, в среднем примерно в 25 раз массивнее, чем сегодняшние звезды.
На этих очень ранних стадиях вполне обычным явлением может стать образование звезд с массой в несколько сотен или даже нескольких тысяч солнечных, и эти звезды могут даже не превратиться в сверхновые; вполне вероятно, что они схлопнутся напрямую, что приведет к сценарию, в котором 100% массы звезды станет черной дырой.
При условии:
- мы видели, как звезды прямо коллапсируют,
- в среде, где находятся самые массивные звезды, мы находим много звезд сравнительно больших масс,
- и что первые звезды образовались из сверхмассивных молекулярных облаков, в которых (вероятно) было много звезд массой около 1000 солнечных,
Кажется разумным, что, возможно, образуется множество «зародышевых» облаков черных дыр, и эти зародыши могут затем сливаться вместе, приводя к исходной черной дыре, которая потенциально может стартовать с массой, достаточной для нам выбраться наружу.
Математическое моделирование искривления пространства-времени вблизи двух сливающихся черных дыр. Цветные полосы - это пики и впадины гравитационных волн, причем цвета становятся ярче по мере увеличения амплитуды волны. Самые сильные волны, несущие наибольшее количество энергии, приходят непосредственно перед и во время самого события слияния. От вдохновляющих нейтронных звезд до сверхмассивных черных дыр сигналы, которые, как мы ожидаем, будет генерировать Вселенная, должны иметь частоту более 9 порядков и могут достигать пиковой выходной мощности ~10^23 Солнц.
Но даже этот сценарий, который немного приближает нас к желаемому результату, представляет собой трудность: как заставить эти затравочные черные дыры достаточно быстро слиться вместе без гравитационных взаимодействий, вызывающих выброс или взаимные взаимодействия, очищающие галактический центр от необходимого для аккреции материала?
Должно быть что-то еще. Что-то еще должно вступить в игру, если мы хотим преобразовать эту головоломку, полагаясь не на взмахи руками, а на твердо понятую физику и астрофизику. И именно здесь на помощь приходит новое исследование под руководством Дэниела Уэйлена из Портсмутского университета.
Путем моделирования образования структур в ранней Вселенной, включая темную материю, ранние звездные скопления и потоки нейтрального газа (то есть обычной материи), и наблюдения за тем, как протогалактики и звездные скопления сливаются вместе На фоне формирующейся космической сети космологи могут отслеживать, где в одном конкретном месте могут собираться большие, массивные скопления материи. Несколько лет назад с помощью этого метода удалось обнаружить, что холодные сверхмассивные потоки газа будут сталкиваться в точках пересечения этой протокосмической паутины, и что газ может подниматься до высокой плотности в небольших объемах, содержащих до ~100 000 солнечных масс в одном конкретном месте.
Этот фрагмент моделирования на суперкомпьютере показывает чуть более 1 миллиона лет космической эволюции между двумя сходящимися холодными потоками газа. За этот короткий промежуток времени, немногим более 100 миллионов лет после Большого Взрыва, сгустки материи вырастают, чтобы обладать отдельными звездами, каждая из которых имеет десятки тысяч солнечных масс в самых плотных областях. Это может дать необходимые семена для самых ранних, самых массивных черных дыр во Вселенной, а также самые ранние семена для роста галактических структур.
Но эти среды редки и не могут объяснить ~200+ очень массивных квазаров, которые мы обнаружили, когда Вселенная была всего ~5% от ее нынешнего возраста или около того. Вот тут-то и появляются новые симуляции Портсмутской группы. Команда смогла показать, что там, где возникают и сходятся сильные холодные потоки аккреции, они могут внезапно вызвать коллапс плотных облаков обычной материи. создавая либо короткоживущие звезды, либо черные дыры с прямым коллапсом, масса которых варьируется от 30 000 до 40 000 масс Солнца.
Как видно из приведенного выше фрагмента моделирования, нет необходимости в каких-либо механизмах тонкой настройки, чтобы вызвать это явление. В то время как в предыдущих исследованиях использовались ультрафиолетовые фоны, сверхзвуковые потоки или некоторые разновидности атомного и молекулярного охлаждения, это новое исследование показало, что эти потоки холодного газа приводят к обильной турбулентности, которая препятствует полному звездообразованию до тех пор, пока не будет достигнута критическая масса. достиг. Однако при пересечении этого порога массы плотная область внезапно коллапсирует, что может вызвать образование отдельных объектов - звезд или черных дыр - до 40 000 солнечных масс. Впервые, используя только известную, неэкзотическую физику, команда успешно показала, что черные дыры-семяны необходимой массы могут быть созданы чуть более чем через 100 миллионов лет после Большого взрыва.
Этот крошечный кусочек глубокого поля GOODS-N, полученный многими обсерваториями, включая Хаббл, Спитцер, Чандра, XMM-Ньютон, Гершель, VLT и другими, содержит, казалось бы, ничем не примечательную красную точку. Этот объект, гибрид квазара и галактики, возникший всего через 730 миллионов лет после Большого взрыва, может стать ключом к разгадке тайны эволюции галактики и черной дыры. Доказательства физического существования и вездесущности черных дыр, когда-то спекулятивные, теперь неопровержимы.
Эта теоретическая разработка как нельзя кстати: как раз в тот момент, когда научная деятельность JWST вот-вот начнется. Одной из его беспрецедентных возможностей будет изучение самых ранних черных дыр в их галактическом окружении, проливая свет на то, как они формировались и росли. Этот новый сценарий, в котором потоки холодного газа сталкиваются, образуя звезды чудовищных размеров, которые могут быстро образовывать черные дыры с массой до десятков тысяч солнечных, вскоре подвергнется окончательному испытанию. Как заметил сам Уэлен:
«Единственные первичные облака, которые могли сформировать квазар сразу после космического рассвета, когда сформировались первые звезды во Вселенной, также удобно создали свои собственные массивные семена. Этот простой и красивый результат объясняет не только происхождение первых квазаров, но и их демографию: их численность в ранние времена. Первые сверхмассивные черные дыры были просто естественным следствием структурообразования в космологии холодной темной материи: дети космической паутины».
В течение почти двух десятилетий астрономы ломали голову над тем, как эти сверхмассивные черные дыры, обнаруженные в самых далеких квазарах Вселенной, так быстро выросли до таких размеров. Этот новый результат убедительно поддерживает новый сценарий, основанный на газе, который не требует новой физики. В ближайшие несколько лет и, возможно, даже в ближайшие несколько месяцев мы узнаем, как именно росли самые массивные ранние объекты Вселенной.