Как зарождается сверхмассивная черная дыра - предложено объяснение

Исследование предлагает объяснение, что первобытные черные дыры могли образоваться в результате коллапса ореола темной материи и перерасти в SMBH за достаточно короткое время.

Сверхмассивные черные дыры (SMBH) — это черные дыры с массами, в несколько миллионов-миллиардов раз превышающие массу нашего Солнца. В Млечном Пути размещена SMBH, масса которой в несколько миллионов раз превышает массу Солнца. Как ни странно, но астрофизические наблюдения показывают, что SMBH уже существовали, когда Вселенная была очень молодой. Например, миллиард черных дыр солнечной массы обнаружены, когда Вселенной было всего 6% от его нынешнего возраста, 13,7 миллиарда лет. Как возникают эти SMBH в ранней Вселенной?

Команда под руководством физика-теоретика из Калифорнийского университета в Риверсайде предложила объяснение: массивная семенная черная дыра, которую может создать коллапс ореола темной материи.

Ореол (гало) темной материи — это ореол невидимой материи, окружающей галактику или скопление галактик. Хотя темная материя никогда не была обнаружена в лабораториях, физики остаются уверенными, что эта загадочная материя, составляющая 85% материи Вселенной, существует. Если бы видимая материя галактики ни была встроена в ореол темной материи, она бы разлетелась на части.

"Физики озадачены, почему SMBH в ранней Вселенной, расположенные в центральных областях ореолов темной материи, за это короткое время растут так сильно", - сказал Хай-Ибо Ю, доцент кафедры физики и астрономии в указанном вузе, который руководил исследованием, опубликованном в Astrophysical Journal Letters. "Это как 5-летний ребенок, который весит, скажем, 90 килограммов. Такой ребенок удивил бы нас всех, зная типичный вес новорожденного ребенка и то, как быстро этот ребенок может расти. Когда дело идет о черных дырах, физики имеют общие ожидания о массе семенной черной дыры и скорости ее роста. Наличие SMBH свидетельствует о том, что эти общие ожидания были нарушены, что требует новых знаний. И это захватывает".

Семенная черная дыра — это черная дыра в начальной стадии — похожей на стадию ребенка в жизни человека.

"Мы можем думать о двух причины", - добавил Ю. "Семенная — или «детская» – черная дыра или гораздо массивнее, или она растет гораздо быстрее, чем мы думали, или и то, и другое. Возникает вопрос, каковы физические механизмы для образования достаточно массивной семенной черной дыры или для достижения достаточно быстрого темпа роста? "

"Нужно время, чтобы черные дыры выросли массивными вследствие аккреции окружающей материи", - говорит соавтор И-Мин Чжун, исследователь-постдокторант из Института космологической физики им. Кавли при Чикагском университете. "Наша работа показывает, что если темная материя имеет взаимодействия, тогда гравитермический коллапс ореола может привести к образованию достаточно массивной семенной черной дыры. Скорость ее роста будет больше соответствовать всеобщим ожиданиям".

В астрофизике популярным механизмом, который используется для объяснения SMBH, является коллапс первозданного газа в протогалактиках в ранней Вселенной.

"Однако этот механизм не может создать достаточно массивную семенную черную дыру для обустройства недавно наблюдаемых SMBH — если только семенная черная дыра не имела чрезвычайно быстрого темпа роста", - сказал Ю. "Наша работа предоставляет альтернативное объяснение: самовзаемодействующий ореол темной материи испытывает гравитермическую нестабильность и его центральная область коллапсирует в черную дыру".

Объяснение, предложенное Ю и его коллегами, работает следующим образом:

Новости по подобной теме:

		Вокруг Млечного Пути обнаружена странная звездная система
		Астрономы обнаружили крошечную черную дыру, неоднократно пробивающую газовый диск более крупной черной дыры
		Сверхмассивные черные дыры ненадолго просыпаются из глубокого сна благодаря измельченным ими звездам

Частицы темной материи сначала скапливаются под влиянием гравитации и образуют ореол темной материи. В ходе эволюции ореола действуют две конкурирующие силы — гравитация и давление. Пока гравитация тянет частицы темной материи внутрь, давление толкает их наружу. Если частицы темной материи не имеют самовзаемодействия, то по мере того, как гравитация тянет их к центральному ореолу, они становятся горячее, то есть движутся быстрее, давление эффективно растет и они отскакивают назад. Однако в случае самовзаемодействующей темной материи, самовзаемодействие темной материи может переносить тепло от этих «более горячих» частиц к ближайшим более холодным. Это усложняет отскакивание частиц темной материи назад.

Ю объяснил, что центральный ореол, который коллапсирует в черную дыру, имеет угловой момент, то есть он вращается. Самовзаемодействие может привести к вязкости или "трению", рассеивающему угловой момент. В процессе коллапса центральный ореол, имеющий фиксированную массу, уменьшается в радиусе и замедляется при вращении из-за вязкости. По мере продолжения эволюции, центральный ореол наконец коллапсирует в особое состояние: семенную черную дыру. Это семена могут стать более массивными путем аккреции барионной — или видимой — материи, такой, как газ и звезды, которые находятся вокруг.

"Преимущество нашего сценария заключается в том, что масса семенной черной дыры может быть большой, поскольку она образуется в результате коллапса ореола темной материи", - сказал Ю "Таким образом, она может перерасти в сверхмассивную черную дыру за относительно короткий промежуток времени".

Новая работа является новаторской в том, что исследователи указывают на важность барионов — обычных атомных и молекулярных частиц — для того, чтобы эта идея работала.

"Во-первых, мы показываем, что наличие барионов, таких как газ и звезды, может существенно ускорить начало гравитермичного коллапса ореола, и семенная черная дыра может быть создана достаточно рано", - сказал Вэй-Сян Фэн, аспирант Ю и соавтор работы. "Во-вторых, мы показываем, что самовзаимодействие может привести к вязкости, которая рассеивает остаток углового момента центрального гало. В-третьих, мы разработали метод для исследования условий запуска общей релятивистской нестабильности коллапсированого ореола, который гарантирует образование семенной черной дыры, если условие будет выполнено".

В течение последнего десятилетия Ю исследовал новые предсказания о самовзаимодейстивиях темной материи и их последствия для наблюдений. Его работа показала, что самовзаимодействующая темная материя может предоставить хорошее объяснение наблюдаемому движению звезд и газа в галактиках.

"Во многих галактиках звезды и газ доминируют в центральных регионах", - сказал он. "Таким образом, естественно спросить, как присутствие этой барионной материи влияет на процесс коллапса. Мы показали, что она ускоряет начало коллапса. Эта особенность — именно то, что нам нужно, чтобы объяснить происхождение сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной. Самовзаимодействие также приводит к вязкости, которая может рассеивать угловой момент центрального ореола и еще больше способствовать процессу коллапса".

Исследование финансировалось Министерством энергетики США, NASA, Институтом космологической физики Кавли и Фондом Джона Темплтона.

Исследовательская работа называется «Посев сверхмассивных черных дыр с темной материи со самовзаимодействием: унифицированный сценарий с барионами» (Seeding Supermassive Black Holes with Self-interacting Dark Matter: A Unified Scenario with Baryons).

Источник: пресс-релиз на сайте Калифорнийского университета в Риверсайде.

! Читайте еще интересные новости о космосе на сайте или следите за ними на Facebook.

• Черные дыры
• Темная материя