Как были «посеяны» сверхмассивные черные дыры вскоре после Большого взрыва

Согласно классическим теориям, эти космические гиганты не имели бы времени развиться в молодой Вселенной. Тем не менее, наблюдения говорят о том, что сверхмассивные черные дыры уже присутствовали.

Новое исследование Международной школы передовых исследований (SISSA, научный институт, поддерживаемый правительством Италии) предлагает ответ на увлекательную тайну, говорится в их пресс-релизе.

Сверхмассивные черные дыры в миллиарды раз больше нашего Солнца: как такое возможно, что они уже присутствовали, когда Вселенной, которой сейчас 14 миллиардов лет, было «всего» 800 миллионов лет? Для астрофизиков образование этих космических монстров за такое короткое время - настоящий научная головная боль, которая поднимает важные вопросы относительно современных знаний о развитии этих небесных тел.

Недавняя статья, опубликованная в Astrophysical Journal аспирантом SISSA Люменом Боко и его научным руководителем Андреа Лапе, предлагает возможное объяснение этом тернистом вопросу. Благодаря оригинальной модели, теоретизированной учеными из Триеста, в исследовании предлагается очень быстрый процесс формирования сверхмассивных черных дыр на начальных фазах развития, который до сих пор считался более медленным. Доводя математически, что их существование было возможным в молодой Вселенной, результаты исследований согласовывают время, необходимое для их роста, с ограничениями, установленными в возрасте Космоса. Эта теория может быть полностью подтверждена благодаря будущим гравитационным волновым детекторам, а именно Эйнштейновскому телескопу и LISA, но также проверена в нескольких основных аспектах с помощью существующего Advanced LIGO/Virgo.

Космический монстр, вырастающий в центрах галактик

Ученые начали свое исследование с известного наблюдательного доказательства: рост сверхмассивных черных дыр происходит в центральных областях галактик, родоначальников современных эллиптических галактик, которые имели очень высокое содержание газов и в которых звездное образование было очень интенсивным. «Самые большие звезды живут короткое время и очень быстро эволюционируют в звездные черные дыры, размером с несколько десятков солнечных масс; они небольшие, но их много образуется в этих галактиках». Густой газ, который их окружает, объясняют Боко и Лапе, имеет очень мощный окончательный эффект динамического трения и заставляет их очень быстро мигрировать к центру галактики. Большинство из многочисленных черных дыр достигают центральных областей, сливаются, образуя «семя» сверхмассивной черной дыры.

Боко и Лапе продолжают: «Согласно классических теорий, сверхмассивная черная дыра вырастает в центре галактики, захватывая окружающую материю, главным образом газ, "обрастая" ею, и, наконец, пожирает ее в ритме, пропорциональном своей массе. По этой причине во время начальных фаз своего развития, когда масса черной дыры небольшая, рост происходит очень медленно. Настолько, что, согласно расчетам, чтобы достичь наблюдаемой массы в миллиарды раз больше Солнца, понадобится очень длительное время, даже больше, чем возраст молодой Вселенной». Однако их исследование показало, что все может пойти гораздо быстрее.

Безумный рывок черных дыр: что обнаружили ученые

«Наши многочисленные расчеты показывают, что процесс динамической миграции и слияния звездных черных дыр может привести к тому, семя сверхмассивной черной дыры достигнет массы в 10 000 - 100 000 раз большей, чем у Солнца, только за 50-100 миллионов лет». В этот момент, отмечают исследователи, «рост центральной черной дыры, согласно вышеупомянутому непосредственному накоплению газа, предусмотренного стандартной теории, станет очень быстрым, так как количество газа, которого ей удастся привлечь и поглотить, станет огромным, и доминирующим в предлагаемом нами процессе. Однако, именно тот факт начала с такого большого семени, что предусмотрено нашим механизмом, ускоряет глобальный рост сверхмассивной черной дыры и позволяет ей образоваться и в молодой Вселенной. Одним словом, учитывая эту теорию, мы можем констатировать, что через 800 миллионов лет после Большого взрыва сверхмассивные черные дыры уже могли заселять Космос».

«Глядя» на прорастание семян сверхмассивных черных дыр

В статье, кроме иллюстрации модели и демонстрации ее эффективности, предлагается также метод ее тестирования: «Слияние многочисленных звездных черных дыр с семенем сверхмассивной черной дыры в центре приведет к гравитационным волнам, которые мы ожидаем увидеть и изучить с помощью нынешних и будущих детекторов», - объясняют исследователи. В частности, гравитационные волны, излучаемые на начальных фазах, когда семя центральной черной дыры еще небольшое, будут распознаны текущими детекторами типа Advanced LIGO/Virgo и полностью определяться будущим Эйнштейновским телескопом. Дальнейшие этапы развития сверхмассивной черной дыры можно было бы исследовать благодаря будущем детектору LISA, который будет запущен в космос примерно в 2034 году. Таким образом, объясните Боко и Лапе, «процесс, который мы предлагаем, может быть подтвержден в разных его фазах, взаимодополняя будущими гравитационными детекторами волн».

«Это исследование, - заключает Андреа Лапе, координатор группы "Астрофизика и космология" в SISSA, - показывает, как студенты и исследователи нашей группы впритык приближаются к новому рубежу гравитационных волн и многопрофильной астрономии. В частности, нашей основной целью будет разработка теоретических моделей, подобных разработанной в этом случае, которые будут служить для использования информации, полученной от текущих и будущих экспериментов с гравитационными волнами, тем самым, надеясь на решение нерешенных вопросов, связанных с астрофизикой, космологией и фундаментальной физикой.»

Читайте еще интересные новости о космосе.