Иллюстрация ранней Вселенной. Изображение предоставлено NASA. Нажмите, чтобы увеличить.
Все началось очень давно, пока вселенная была очень молода. Самые ранние массивные звезды-заводчики резвились в молодости, вращаясь и прыгая среди густых зеленых трав девственной материи. По мере того, как отводилось их время, ядерные двигатели выпаривали огромные потоки горячего водорода и гелия, обогащая межзвездные среды. В течение этой фазы сверхмассивные звездные скопления формировались в небольших карманах возле зарождающихся ядер галактик - каждое из них плавало в небольших областях первичного вещества мини-гало.
Завершая свой цикл, самые ранние звезды-заводчики взорвались, извергнув тяжелые атомы. Но до того, как во Вселенной скопилось слишком много тяжелой материи, образовались самые ранние черные дыры, которые быстро росли благодаря взаимной ассимиляции и накапливали достаточно гравитационного влияния, чтобы притягивать «златовласка» газы точных температур и состава в большие широкие аккреционные диски. Эта сверхкритическая фаза роста быстро превратила самые ранние массивные черные дыры (MBH) в статус сверхмассивной черной дыры (SMBH). Исходя из этого, самые ранние квазары обосновались в слитых мини-гало многочисленных протогалактик.
Эта картина раннего формирования квазара появилась из недавней статьи (опубликованной 2 июня 2005 г.) под названием «Быстрый рост черных дыр с высоким красным смещением», написанной кембриджскими британскими космологами Мартином Дж. Рисом и Мартой Волонтери. Это исследование рассматривает возможность того, что короткое окно быстрого образования SMBH открылось после времени всеобщей прозрачности, но до того, как газы в межзвездных средах полностью реионизировались через звездное излучение и были засеяны тяжелыми металлами сверхновыми. Модель Рис-Волонтери пытается объяснить факты, исходящие из набора данных Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Спустя 1 миллиард лет после Большого взрыва уже сформировалось много очень сияющих квазаров. Каждый с SMBHs, имеющие массы, превышающие 1 миллиард солнц. Они возникли из «семенных черных дыр» - гравитационных огней, оставленных после самого раннего цикла коллапса сверхновых среди первых массивных галактических скоплений. К одному миллиарду лет после Большого взрыва это было почти закончено. Как такая масса могла так быстро сгущаться в такие маленькие области пространства?
По словам Волонтари и Риса: «Чтобы выращивать такие семена до 1 миллиарда солнечных масс, требуется почти непрерывное наращивание газа…». Работа против такой высокой скорости аккреции заключается в том, что излучение вещества, попадающего в черную дыру, обычно быстро компенсируется » увеличение веса". Большинство моделей роста SMBH показывают, что около 30% массы, падающей в сторону промежуточной (массивной - не сверхмассивной) черной дыры, преобразуется в излучение. Эффект от этого двоякий: вещество, которое в противном случае могло бы питать MBH, теряется радиацией, а внешнее радиационное давление сдерживает движение дополнительного вещества внутрь, чтобы обеспечить быстрый рост.
Ключ к пониманию быстрого образования SMBH заключается в возможности того, что диски с ранней аккрецией вокруг MBH были не такими оптически плотными, как сегодня, а «толстыми» из-за незначительно распределенного вещества. В таких условиях излучение имеет большую длину свободного пробега и может выходить за пределы дисков, не препятствуя внутреннему движению вещества. Топливо, движущее всем процессом роста SMBH, обильно доставляется в горизонт событий черной дыры. Между тем, типичные вещества, присутствовавшие в самой ранней эпохе, были в основном одноатомными водородом и гелием, а не типом аккреционных дисков с богатыми тяжелыми металлами более поздней эпохи. Все это говорит о том, что ранние MBH росли в спешке, что в конечном счете объясняет наличие многих полностью зрелых квазаров, которые можно увидеть в наборе данных SDSS. Такие ранние MBH должны иметь массовые коэффициенты преобразования энергии, более типичные для полностью зрелых SMBH, чем MBH сегодня.
Волонтари и Рис говорят, что более ранние исследователи показали, что полностью разработанные «квазары имеют эффективность преобразования массы в энергию примерно 10%…». Однако пара предупреждает, что это значение преобразования массы в энергию исходит из исследований квазаров из более позднего периода в Универсальном расширение и что «ничего не известно о радиационной эффективности предгалактических квазаров в ранней Вселенной». По этой причине «картина Вселенной с малым красным смещением может не подходить ранее». Ясно, что ранняя Вселенная была более плотно заполнена веществом, это вещество было при более высокой температуре, и там было более высокое отношение неметаллов к металлам. Все эти факторы говорят о том, что практически никто не догадывается об эффективности массового преобразования энергии в ранних МБК. Поскольку теперь мы должны объяснить, почему так много SMBH существует среди ранних квазаров, имеет смысл, что Волонтари и Рис используют то, что они знают о сегодняшних аккреционных дисках, как средство, чтобы объяснить, как эти диски могли отличаться в прошлом.
И это самые ранние времена - до того, как многочисленные звезды повторно ионизировали газы в межзвездных средах - создавали условия для быстрого образования SMBH. Такие условия вполне могли длиться менее 100 миллионов лет и требовали искусного баланса температуры, плотности, распределения и состава вещества во Вселенной.
Чтобы получить полную картину (как нарисовано в статье), мы начнем с идеи, что ранняя вселенная была населена бесчисленными мини-гало, состоящими из темного и барионного вещества с очень массивными, но чрезвычайно плотными звездными скоплениями в их среде. Из-за плотности этих скоплений - и массивности звезд, из которых они состоят - сверхновые быстро развивались, чтобы породить многочисленные «семенные черные дыры». Эти семенные ЧД слились в массивные черные дыры. Тем временем гравитационные силы и реальные движения быстро соединили различные мини-гало вместе. Это создало все более массивные ореолы, способные кормить MBH.
В ранней Вселенной вещество, окружающее МБК, приняло форму огромных, бедных металлом сфероидов водорода и гелия, в среднем около 8000 градусов Кельвина по температуре. При таких высоких температурах атомы остаются ионизированными. Из-за ионизации было немного электронов, связанных с атомами, чтобы действовать как ловушки фотона. Эффекты радиационного давления уменьшились до такой степени, что материя легче падала в горизонт событий черных дыр. Между тем свободные электроны сами рассеивают свет. Часть этого света фактически переизлучается обратно к аккреционному диску, а другой источник массы - в форме энергии - питает систему. Наконец, недостаток тяжелых металлов - таких как кислород, углерод и азот - означает, что одноатомные атомы остаются горячими. Поскольку температуры падают ниже 4000 градусов К, атомы деионизируются и снова становятся объектами радиационного давления, уменьшающего поток свежего вещества, попадающего в горизонт событий ЧД. Все эти чисто физические свойства имели тенденцию снижать массовую энергоэффективность, позволяя MBH быстро прибавлять в весе.
Между тем, когда слились мини-гало, горячее барионное вещество конденсировалось в огромные «толстые» диски, а не в тонкие кольца, которые можно видеть сегодня вокруг SMBH. Это произошло из-за того, что само вещество гало полностью окружало быстро растущие МБК. Это сфероидальное распределение вещества обеспечивало постоянный источник свежего, горячего, девственного вещества, чтобы питать аккреционный диск с разных точек зрения. Толстые диски означали большее количество вещества при меньшей оптической плотности. И снова материя смогла избежать «солнечного плавания» наружу от надвигающейся пасти MBH, и коэффициенты преобразования массы в энергию упали.
Оба фактора - жировые диски и ионизированные атомы с низкой массой - говорят о том, что в течение золотого века ранней зеленой Вселенной MBH быстро росли. В течение одного миллиарда лет после Большого взрыва они утвердились в относительно спокойной зрелости, эффективно превращая материю в свет и направляя этот свет через огромные пространства времени и пространства в потенциально постоянно расширяющуюся Вселенную.
Автор Джефф Барбур
