Во Вселенной есть черные дыры, в миллиарды раз массивнее нашего Солнца.
«Именно спускаясь в бездну, мы обретаем сокровища жизни. Где споткнешься, там и сокровище твое». - Джозеф Кэмпбелл
Когда мы смотрим во Вселенную все дальше и дальше, мы видим галактики такими, какими они были в далеком прошлом. В самых крайних случаях мы можем заглянуть в прошлое, когда возраст Вселенной составлял всего несколько процентов от ее нынешнего возраста: сотни миллионов лет, а не более 13 миллиардов.
Тем не менее, когда мы смотрим на эти самые далекие объекты, мы обнаруживаем, что в ядрах некоторых из них есть сверхмассивные черные дыры, масса которых должна быть в миллиарды раз больше массы нашего Солнца! Было бы разумно беспокоиться, как они стали такими большими за такой короткий промежуток времени. Но, как оказалось, проблема еще хуже, чем вы себе представляли, и все восходит к астрофизике звезд.
Вы, скорее всего, привыкли к мысли, что звезды бывают самых разных размеров, цветов, продолжительности жизни и массы, и что все эти свойства связаны друг с другом. Чем массивнее звезда, тем крупнее ее горючее ядро работающее на принципах ядерного синтеза . Это означает, что более массивные звезды горят ярче, имеют более высокую температуру, как правило, имеют больший радиус, а также сжигают свое топливо быстрее
В то время как такой звезде, как наше Солнце, может потребоваться более 10 миллиардов лет, чтобы сжечь все водородное топливо в своем ядре, звезды могут быть в десятки или даже сотни раз массивнее нашего Солнца. Вместо миллиардов лет они могут превратить весь водород в своих ядрах в гелий всего за несколько миллионов или, в крайнем случае, всего за сотни тысяч лет.
Что происходит с этими ядрами, когда они израсходуют свое топливо? Вы должны понимать, что энергия, высвобождаемая в результате тех термоядерных реакций - , когда легкие элементы становятся более тяжелыми, высвобождая энергию через знаменитую формулу Эйнштейна E=mc^2 - , была единственным, что удерживало ядра этих звезд от огромной силы гравитации..
Гравитация, помните, постоянно работает над тем, чтобы сжать всю материю в этой звезде до минимально возможного объема. Когда эти термоядерные реакции прекращаются из-за того, что у вас кончается топливо, ядро быстро сжимается. Скорость важна, потому что, если вы сжимаете что-то медленно, его температура имеет тенденцию оставаться постоянной, но его энтропия растет, а если вы сжимаете это быстро, его энтропия остается постоянной, но температура растет!
В случае чрезвычайно массивного ядра звезды, повышение температуры означает, что оно может начать сплавлять все более и более тяжелые элементы, переходя от гелия к углероду, азоту и кислороду, к неону, магнию, кремнию, сере. и в конечном итоге до железа, никеля и кобальта в короткие сроки.(Обратите внимание, что они в основном образуются с шагом по два элемента из-за слияния ядер гелия с существующими элементами.)
Когда вы достигаете железа, никеля и кобальта в ядре - наиболее стабильных элементов (в пересчете на нуклон) - слияние больше не может происходить, так как вы фактически потеряете энергии за счет создания более тяжелых элементов. Так что же происходит, когда у вас нет материала для слияния, но гравитация все еще пытается собрать все воедино?
Вы получаете безудержный коллапс ядра, что приводит к сверхновой типа II!
В менее массивной звезде, которая делает это, вы получите нейтронную звезду в ядре, в то время как еще более массивная звезда - с еще более массивным ядром - не выдержит до гравитации, создавая центральную черную дыру! Звезда, масса которой в 15-20 раз превышает массу нашего Солнца, должна образовать черную дыру в центре, когда она умрет, а все более и более массивные звезды будут производить еще более массивные черные дыры!
Вы можете представить себе огромное количество достаточно массивных звезд, производящих черные дыры с помощью этого механизма в концентрированном пространстве, а затем эти черные дыры сливаются вместе с течением времени. Или, возможно, комбинация слияний для создания солидной черной дыры с последующим питанием звездной и межзвездной материей, что мы также наблюдаем.
К сожалению, это не приведет вас к массам, требуемым достаточно быстро, чтобы соответствовать нашим наблюдениям.
Видите ли, если звезда станет слишком массивной, она не будет производить черную дыру в своем центре! Если вы начнете смотреть на звезды с массой более 130 солнечных, внутренняя часть вашей звезды станет настолько горячей и энергичной, что создаваемые вами частицы излучения с самой высокой энергией могут образовывать пары материя-антиматерия в форме позитронов и электронов. Это может показаться пустяком, но вспомните, что происходило внутри ядер этих звезд: единственное, что удерживало их от коллапса ядра, - это давление, создаваемое излучением, возникающим в результате ядерного синтеза! Когда вы начинаете производить электрон-позитронные пары, вы производите их из излучения, присутствующего в ядре звезды, что означает, что вы уменьшаете давление в ядре. Это начинает происходить в звездах с массой около 100 солнечных, но как только вы достигаете примерно 130 солнечных масс, это снижает давление настолько, что ядро начинает коллапсировать, и это происходит так быстро!
Итак, он нагревается, а также содержит огромное количество позитронов, которые аннигилируют с обычной материей, производя гамма-лучи, которые также нагревают ядро еще больше! В конце концов, вы создаете что-то настолько энергичное в ядре, что вся звезда разлетается на части в результате самого впечатляющего типа сверхновой, который мы когда-либо наблюдали: сверхновой с парной нестабильностью! Это разрушает не только внешние слои звезды, но и ядро, не оставляя после себя абсолютно ничего!
Без достаточно больших черных дыр, образовавшихся в очень короткое время во Вселенной, мы все еще могли бы получить сверхмассивные черные дыры, подобные тем, которые мы находим в центре нашей собственной галактики, которые - от гравитационных орбит звезд вокруг него - весит несколько миллионов солнечных масс.
Но это не даст вам миллиарды солнечных масс, найденных, например, в этой относительно близкой галактике (как вы можете видеть по ее ультрарелятивистской струе ниже): Мессье 87.
Сверхмассивные черные дыры этого порядка - с массой в миллиарды солнечных - находятся не только поблизости, но и с очень большими красными смещениями, что означает, что они существовали и были очень большими, во Вселенной давно!
Вы можете подумать, что мы могли только что начать Вселенную с черных дыр такой величины, но это просто несовместимо с нашей картиной молодой Вселенной, как из-за спектра энергии материи, так и из-за флуктуаций в космический микроволновый фон. Откуда бы ни взялись эти сверхмассивные черные дыры, маловероятно, что они были первобытными в природе, но они определенно присутствуют даже в очень молодых галактиках!
Так если обычные звезды не могут их создать, и Вселенная родилась не вместе с ними, то откуда берутся эти молодые сверхмассивные черные дыры?
Оказывается, звезды могут стать еще более массивными, чем те, о которых мы говорили, и когда они это сделают, появится новая надежда. Вернемся к первым звездам, образовавшимся во Вселенной - из существовавших тогда первичных газообразных водорода и гелия - всего через несколько миллионов лет после Большого Взрыва.
Есть множество свидетельств того, что очень рано сформировавшиеся звезды образовались в огромных областях, не таких, как звездные скопления, содержащие несколько сотен или тысяч звезд в нашей галактике, но содержащие миллионы (или даже сотни миллионов) звезд, когда они рождаются. И если мы посмотрим на самую большую область звездообразования, которая у нас есть локально - туманность Тарантул, расположенную в Большом Магеллановом Облаке , - мы сможем понять, что, по нашему мнению, происходит.
Эта область пространства составляет почти 1000 световых лет в поперечнике, с массивной областью звездообразования в центре - R136 - , содержащей около 450 000 солнечных масс новых звезд. Весь этот комплекс активен, образуя новые массивные звезды. Но в центре этой центральной области вы можете найти нечто поистине замечательное: самая массивная звездаизвестная (на данный момент) во всей Вселенной!
Самая большая звезда здесь в 256 раз больше массы нашего Солнца, и это очень замечательное место. Понимаете, помните, что я говорил вам о парной нестабильности сверхновых и о том, как они уничтожают звезды с массой более 130 солнечных, не оставляя после себя черных дыр? Это правда, но только до определенного момента; эта история верна только для звезд с массами выше 130 масс Солнца и ниже 250 масс Солнца. Если мы станем еще более массивными, мы начнем создавать гамма-лучи, которые настолько энергичны, что вызывают фоторасщепление, когда эти гамма-лучи охлаждают внутреннюю часть звезды, раздувая тяжелые ядра обратно на легкие (гелий и водород) элементы..
Звезда с более чем 250 массами Солнца просто полностью коллапсирует в черную дыру. Звезда массой 260 солнечных создала бы черную дыру массой 260 масс Солнца, звезда массой 1000 масс Солнца создала бы черную дыру массой 1000 масс Солнца и т. д. Итак, если мы сможем создать звезду, превышающую этот предел, здесь, в нашем собственном маленьком изолированном уголке. пространства, то мы определенно создали эти объекты, когда Вселенная была очень молода, и мы, вероятно, сделали их большое количество. И со временем они сольются!
И если через несколько миллионов (или несколько десятков миллионов) лет вы сможете создать начальную область с массивной черной дырой в несколько тысяч солнечных масс, быстрое слияние и аккреция эти коллапсирующие области звездообразования делают немыслимым, что эти ранние большие черные дыры не сливались друг с другом и не росли. Вскоре они будут формировать все более и более крупные черные дыры в центрах этих объектов: первых крупных галактик во Вселенной!
И этот непрерывный рост с течением времени может легко стать результатом некоторых наивных оценок черной дыры с массой в сотни миллионов солнечных для галактики размером с Млечный Путь. Нетрудно представить, что более массивные галактики или нелинейные эффекты могут без проблем увеличить это до миллиардов солнечных масс. И хотя мы не знаем наверняка, мы думаем, что именно оттуда берутся самые массивные черные дыры во Вселенной!
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в блогах Scienceblogs!