Астрономы получили новые данные о происхождении самых массивных черных дыр во Вселенной благодаря наблюдениям гравитационных волн. Исследователи считают, что рябь пространства-времени, возникающая при столкновениях черных дыр, может помочь объяснить, как во Вселенной появились объекты массой в миллиарды солнечных масс всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва.
Проблема происхождения сверхмассивных черных дыр остается одной из крупнейших загадок современной астрофизики. Наблюдения показывают, что уже в ранней Вселенной существовали квазары с черными дырами массой более миллиарда Солнц. Однако стандартные модели роста черных дыр плохо объясняют, как такие объекты успели сформироваться настолько быстро.
Новые исследования предполагают, что важную роль могли сыграть многочисленные слияния черных дыр, следы которых сегодня фиксируются детекторами гравитационных волн.
Что такое сверхмассивные черные дыры
Сверхмассивные черные дыры — крупнейшие известные черные дыры во Вселенной.
Их масса может составлять:
- миллионы масс Солнца;
- сотни миллионов масс Солнца;
- миллиарды масс Солнца.
Такие объекты расположены в центрах большинства крупных галактик.
В центре Milky Way находится сверхмассивная черная дыра Sagittarius A* массой около 4 миллионов Солнц.
В гигантских галактиках масса центральных черных дыр может быть значительно больше.
Например, черная дыра в галактике M87 имеет массу около 6,5 миллиарда солнечных масс. Именно ее тень впервые получила Event Horizon Telescope в 2019 году.
Главная проблема — слишком раннее появление гигантов
Современные телескопы обнаружили квазары в очень ранней Вселенной.
Некоторые из них существовали уже через 600–700 миллионов лет после Большого взрыва.
Для астрофизики это серьезная проблема.
Черные дыры растут за счет аккреции — поглощения вещества. Но скорость роста ограничивается так называемым пределом Эддингтона.
Если черная дыра поглощает слишком много вещества слишком быстро:
- усиливается излучение;
- давление света начинает выталкивать газ;
- аккреция замедляется.
При стандартной скорости роста объяснить появление миллиардных черных дыр за столь короткое время крайне трудно.
Существует несколько гипотез происхождения
Сегодня ученые рассматривают несколько основных сценариев.
Рост из «обычных» звездных черных дыр
Самый простой вариант предполагает, что первые черные дыры образовались после гибели первых массивных звезд.
Такие объекты обычно имеют массу:
- от нескольких;
- до десятков масс Солнца.
Затем они постепенно росли, поглощая газ и сливаясь друг с другом.
Однако расчеты показывают, что времени могло не хватить.
Сценарий прямого коллапса
Другая гипотеза предполагает существование «тяжелых семян».
Согласно этой модели, в ранней Вселенной огромные облака газа могли напрямую коллапсировать в черные дыры массой:
- десятки тысяч;
- сотни тысяч;
- даже миллионы масс Солнца.
Такой механизм позволил бы существенно ускорить формирование сверхмассивных объектов.
Но подтверждений этой модели пока недостаточно.
Гравитационные волны открыли новый путь исследований
Прорыв произошел после запуска детекторов LIGO и Virgo.
В 2015 году ученые впервые зарегистрировали гравитационные волны — рябь пространства-времени, предсказанную Albert Einstein еще в 1916 году.
Albert Einstein
Гравитационные волны возникают при ускоренном движении массивных объектов.
Особенно мощные сигналы появляются при:
- столкновениях черных дыр;
- слияниях нейтронных звезд;
- взаимодействиях компактных объектов.
Слияния черных дыр оказались гораздо более частыми
После начала работы LIGO астрономы обнаружили десятки событий слияния черных дыр.
Причем многие объекты оказались неожиданно массивными. (ligo.caltech.edu)
Некоторые системы содержали черные дыры массой:
- 30;
- 50;
- более 80 солнечных масс.
Это стало неожиданностью для теорий звездной эволюции.
Ранее считалось, что подобные массы должны встречаться значительно реже.
Ученые начали рассматривать «каскадный рост»
Новые данные усилили интерес к сценарию многократных слияний.
Согласно этой модели:
- формируются первые звездные черные дыры;
- они сталкиваются и сливаются;
- образуются более крупные объекты;
- новые черные дыры снова участвуют в слияниях;
- процесс повторяется многократно.
Со временем это может приводить к появлению объектов промежуточной массы, а затем — сверхмассивных черных дыр.
Промежуточные черные дыры — важнейшее звено
Одной из главных проблем долгое время было отсутствие черных дыр промежуточной массы.
Известны были:
- звездные черные дыры;
- сверхмассивные черные дыры.
Но объектов между ними почти не находили.
Сейчас ситуация постепенно меняется.
Наблюдения гравитационных волн начали выявлять кандидатов в промежуточные черные дыры массой:
- сотни;
- тысячи;
- десятки тысяч солнечных масс.
Это может быть ключевым этапом роста гигантов.
Галактические столкновения могли ускорять процесс
В молодой Вселенной галактики сталкивались значительно чаще, чем сегодня.
Во время таких столкновений:
- черные дыры сближались;
- плотность звезд возрастала;
- усиливались гравитационные взаимодействия;
- возрастала вероятность слияний.
Это создавало условия для быстрого роста черных дыр.
Некоторые модели предполагают, что центры молодых галактик представляли собой чрезвычайно плотные «фабрики» слияний.
Почему ранняя Вселенная отличалась от современной
Первые сотни миллионов лет после Большого взрыва были очень необычной эпохой.
Тогда:
- галактики были компактнее;
- газа было значительно больше;
- звездообразование происходило интенсивнее;
- столкновения случались чаще.
Все это могло создавать благоприятные условия для быстрого роста черных дыр.
Телескоп James Webb усилил проблему
После запуска James Webb Space Telescope астрономы обнаружили еще больше массивных объектов в ранней Вселенной.
Некоторые из них выглядят слишком крупными и слишком яркими для существующих моделей.
Это означает, что:
- рост черных дыр мог происходить быстрее;
- ранние галактики формировались интенсивнее;
- современные модели требуют пересмотра.
JWST фактически усилил кризис стандартных сценариев формирования сверхмассивных объектов.
Гравитационные волны позволяют «видеть» невидимые процессы
Главное преимущество гравитационной астрономии — возможность наблюдать события, которые невозможно увидеть обычными телескопами.
Черные дыры сами по себе не излучают свет.
Но при их слиянии возникают мощные гравитационные сигналы.
Это позволяет исследовать:
- массы объектов;
- скорость вращения;
- параметры орбит;
- историю столкновений.
Фактически ученые получили новый способ изучения эволюции Вселенной.
Будущие детекторы смогут видеть раннюю Вселенную
Современные установки имеют ограничения по чувствительности.
Но в будущем ситуация изменится.
Особенно важным считается проект LISA — космический детектор гравитационных волн ESA и NASA.
LISA будет способен регистрировать:
- слияния сверхмассивных черных дыр;
- сигналы из ранней Вселенной;
- медленные гравитационные процессы.
Это может впервые показать, как именно росли гигантские черные дыры в первые эпохи космоса.
Некоторые черные дыры могли формироваться еще до появления звезд
Существуют и более экзотические гипотезы.
Некоторые модели предполагают существование первичных черных дыр, образовавшихся практически сразу после Большого взрыва из сверхплотных областей вещества.
Если такие объекты действительно существовали, они могли стать начальными «семенами» для сверхмассивных черных дыр.
Однако убедительных доказательств этой идеи пока нет.
Черные дыры тесно связаны с эволюцией галактик
Современные исследования показывают, что рост черных дыр и развитие галактик происходят совместно.
Масса центральной черной дыры коррелирует с:
- массой галактики;
- размером балджа;
- скоростью движения звезд.
Это означает, что сверхмассивные черные дыры являются важной частью эволюции галактик, а не случайным дополнением.
Проблема происхождения гигантских черных дыр остается открытой
Несмотря на огромный прогресс, единой модели пока не существует.
Вероятно, реальная картина включает сразу несколько механизмов:
- быстрый коллапс газа;
- интенсивную аккрецию;
- многочисленные слияния;
- рост в плотных молодых галактиках.
Наблюдения гравитационных волн постепенно превращаются в один из главных инструментов решения этой загадки.
Чем больше слияний фиксируют детекторы, тем лучше ученые понимают, как из сравнительно небольших объектов могли возникнуть крупнейшие черные дыры во Вселенной — структуры, масса которых превышает массу Солнца в миллиарды раз.
Источники:
Статья создана по материалам Space.com
