Як були «посіяні» надмасивні чорні діри невдовзі після Великого вибуху

Згідно з класичними теоріями, ці космічні гіганти не мали б часу розвинутися в молодому Всесвіті. Тим не менш, спостереження говорять про те, що надмасивні чорні діри були вже присутні.

Нове дослідження Міжнародної школи передових досліджень (SISSA, науковий інститут, підтримуваний урядом Італії) пропонує відповідь на захоплюючу таємницю, йдеться в їхньому прес-релізі.

Надмасивні чорні діри у мільярди разів більші за наше Сонце: як таке можливо, що вони вже були присутніми, коли Всесвіту, якому зараз 14 мільярдів років, було «всього» 800 мільйонів років? Для астрофізиків утворення цих космічних монстрів за такий короткий час – справжній науковий головний біль, який піднімає важливі питання стосовно сучасних знань про розвиток цих небесних тіл.

Недавня стаття, що була опублікована в Astrophysical Journal аспірантом SISSA Люменом Боко та його науковим керівником Андреа Лапі, пропонує можливе пояснення цьому тернистому питанню. Завдяки оригінальній моделі, теоретизованій вченими з Трієста, в дослідженні пропонується дуже швидкий процес формування надмасивних чорних дір на початкових фазах розвитку, який до цього часу вважався більш повільним. Доводячи математично, що їхнє існування було можливим у молодому Всесвіті, результати досліджень узгоджують час, необхідний для їх зростання, з обмеженнями, встановленими віком Космосу. Ця теорія може бути повністю підтверджена завдяки майбутнім гравітаційним хвильовим детекторам, а саме Ейнштейновому телескопу та LISA, але також перевірена в декількох основних аспектах за допомогою існуючого Advanced LIGO/Virgo.

Космічний монстр, який виростає в центрах галактик

Вчені розпочали своє дослідження з відомого спостережного доказу: зростання надмасивних чорних дір відбувається в центральних областях галактик, родоначальниках сучасних еліптичних галактик, які мали дуже високий вміст газів і в яких зоряне утворення було надзвичайно інтенсивним. «Найбільші зірки живуть короткий час і дуже швидко еволюціонують у зоряні чорні діри, розміром з кілька десятків сонячних мас; вони невеликі, але їх багато утворюється в цих галактиках». Густий газ, який їх оточує, пояснюють Боко та Лапі, має дуже потужний остаточний ефект динамічного тертя і змушує їх дуже швидко мігрувати до центру галактики. Більшість із численних чорних дір досягають центральних областей, зливаються, створюючи «насінину» надмасивної чорної діри.

Боко та Лапі продовжують: «Відповідно до класичних теорій, надмасивна чорна діра виростає в центрі галактики, захоплюючи навколишню матерію, головним чином газ, "обростаючи" нею, і, нарешті, пожирає її в ритмі, пропорційному своїй масі. З цієї причини під час початкових фаз свого розвитку, коли маса чорної діри невелика, зростання відбувається дуже повільно. Настільки, що, згідно з розрахунками, щоб досягти спостережуваної маси в мільярди разів більше Сонця, знадобиться дуже тривалий час, навіть більший, ніж вік молодого Всесвіту». Однак їхнє дослідження показало, що все може піти набагато швидше.

Божевільний ривок чорних дір: що виявили вчені

«Наші чисельні розрахунки показують, що процес динамічної міграції та злиття зоряних чорних дір може призвести до того, насінина надмасивної чорної діри досягне маси в 10 000 - 100 000 разів більшої, ніж у Сонця, лише за 50-100 мільйонів років». У цей момент, зазначають дослідники, «зростання центральної чорної діри, відповідно до вищезгаданого безпосереднього накопичення газу, передбаченого стандартною теорією, стане дуже швидким, тому що кількість газу, якого їй вдасться притягнути та поглинути, стане величезною, і домінуючою у запропонованому нами процесі. Проте, саме той факт початку з такої великої насінини, що передбачено нашим механізмом, прискорює глобальне зростання надмасивної чорної діри і дозволяє її утворитись і в молодому Всесвіті. Одним словом, з огляду на цю теорію, ми можемо констатувати, що через 800 мільйонів років після Великого вибуху надмасивні чорні діри вже могли заселити Космос».

«Дивлячись» на проростання насіння надмасивних чорних дір

У статті, крім ілюстрації моделі та демонстрації її ефективності, пропонується також метод її тестування: «Злиття численних зоряних чорних дір із насіниною надмасивної чорної діри в центрі призведе до гравітаційних хвиль, які ми очікуємо побачити та вивчити за допомогою нинішніх та майбутніх детекторів», - пояснюють дослідники. Зокрема, гравітаційні хвилі, що випромінюються на початкових фазах, коли насінина центральної чорної діри ще невелика, будуть розпізнані поточними детекторами на кшталт Advanced LIGO/Virgo і повністю визначатися майбутнім Ейнштейновим телескопом. Подальші етапи розвитку надмасивної чорної діри можна було б дослідити завдяки майбутньому детектору LISA, який буде запущений у космос приблизно у 2034 році. Таким чином, поясніть Боко та Лапі, «процес, який ми пропонуємо, може бути підтверджений у різних його фазах, взаємодоповнюючи майбутніми гравітаційними детекторами хвиль».

«Це дослідження, - підсумовує Андреа Лапі, координатор групи "Астрофізика та космологія" в SISSA, - показує, як студенти та дослідники нашої групи вщільну наближаються до нового рубежу гравітаційних хвиль та багатопрофільної астрономії. Зокрема, нашою основною метою буде бути розробити теоретичні моделі, подібні до розробленої в цьому випадку, які служитимуть для використання інформації, отриманої від поточних і майбутніх експериментів з гравітаційними хвилями, тим самим, сподіваючись на вирішення невирішених питань, пов'язаних з астрофізикою, космологією та фундаментальною фізикою.»

Читайте ще цікаві новини про космос.