Что питало ранние черные дыры, позволяя их очень быстрый рост? Новое открытие, сделанное исследователями из Университета Карнеги-Меллона с использованием комбинации суперкомпьютерного моделирования и технологии GigaPan Time Machine, показывает, что диета космических «фаст-фудов» (тонких потоков холодного газа) бесконтрольно перетекала в центр первых черных дыр, вызывая они должны быть «сверхразмерными» и расти быстрее, чем что-либо еще во Вселенной.
Когда наша Вселенная была молодой, менее чем через миллиард лет после Большого взрыва, галактики только начинали формироваться и расти. Согласно прежним теориям, черные дыры в то время должны были быть одинаково маленькими. Данные Sloan Digital Sky Survey продемонстрировали обратное: сверхмассивные черные дыры существовали уже через 700 миллионов лет после Большого взрыва.
«Исследование Sloan Digital Sky Survey обнаружило сверхмассивные черные дыры менее чем за 1 миллиард лет. Они были того же размера, что и самые массивные черные дыры на сегодняшний день, возраст которых составляет 13,6 миллиарда лет », - говорит Тициана Ди Маттео, доцент физики (Университет Карнеги-Меллона). «Это была загадка. Почему некоторые черные дыры образуются так рано, когда целому возрасту Вселенной требуется, чтобы другие достигли той же массы? »
Сверхмассивные чёрные дыры являются самыми большими чёрными дырами в мире - их масса в миллиарды раз превышает массу Солнца. Большинство «нормальных» черных дыр только примерно в 30 раз массивнее Солнца. В настоящее время общепринятым механизмом формирования сверхмассивных черных дыр является галактическое слияние. Одна из проблем этой теории и ее применения к ранним сверхмассивным черным дырам заключается в том, что в ранней Вселенной не было много галактик, и они были слишком далеко друг от друга, чтобы сливаться.
Руперт Крофт, адъюнкт-профессор физики (Университет Карнеги-Меллона), отметил: «Если вы напишите уравнения для того, как образуются галактики и черные дыры, не представляется возможным, что эти огромные массы могли сформироваться так рано, но мы смотрим на небо и там они."
Чтобы понять процессы, которые сформировали ранние сверхмассивные черные дыры, Ди Маттео, Крофт и Кхандай создали MassiveBlack - крупнейшее космологическое моделирование на сегодняшний день. Целью MassiveBlack является точное моделирование первых миллиардов лет нашей вселенной. Описывая MassiveBlack, Ди Маттео отметил: «Это моделирование действительно гигантское. Это самый большой с точки зрения уровня физики и фактического объема. Мы сделали это, потому что нам было интересно посмотреть на редкие вещи во вселенной, такие как первые черные дыры. Поскольку они настолько редки, вам нужно искать на большом пространстве ».
Крофт и его команда начали моделирование, используя известные модели космологии, основанные на теориях и законах современной физики. «Мы не вкладывали ничего сумасшедшего. Там нет никакой магической физики, никаких дополнительных вещей. Это та же самая физика, которая формирует галактики при моделировании более поздней вселенной », - сказал Крофт. «Но волшебным образом появляются эти ранние квазары, как это и наблюдалось. Мы не знали, что они собираются появиться. Было удивительно измерить их массы и пойти ow Вау! Это точный размер и они появляются точно в нужный момент. «Это история успеха современной теории космологии».
Данные из MassiveBlack были добавлены в проект GigaPan Time Machine. Объединив данные MassiveBlack с проектом GigaPan Time Machine, исследователи смогли увидеть симуляцию, как если бы это был фильм - легко перемещаясь по моделируемой вселенной по мере ее формирования. Когда команда заметила события, которые казались интересными, они также смогли увеличить изображение, чтобы увидеть события более подробно, чем то, что они могли видеть в нашей собственной вселенной с наземными или космическими телескопами.
Когда команда сосредоточилась на создании первых сверхмассивных черных дыр, они увидели нечто неожиданное. Обычные наблюдения показывают, что когда холодный газ течет к черной дыре, он нагревается от столкновений с другими соседними молекулами газа, затем охлаждается перед входом в черную дыру. Известный как «ударное нагревание», процесс должен был остановить ранние черные дыры от достижения наблюдаемых масс. Вместо этого команда наблюдала за тонкими потоками холодного плотного газа, протекающими вдоль «нитей», которые были замечены в крупномасштабных исследованиях, которые показывают структуру нашей вселенной. Нити позволяли газу течь прямо в центр черных дыр с невероятной скоростью, обеспечивая их холодной и быстрой едой. Устойчивое, но неконтролируемое потребление обеспечило механизм для роста черных дыр с гораздо большей скоростью, чем у их галактик.
Полученные результаты будут опубликованы в Astrophysical Journal Letters.
Если вы хотите узнать больше, ознакомьтесь со статьями ниже (через Physics arXiv):
Терапевтическая визуализация космологических симуляций
Формирование галактик, содержащих z ~ 6 квазаров
Ранние черные дыры в космологических симуляциях
Холодные потоки и первые квазары
Узнайте больше о Gigapan и MassiveBlack по адресу: http://gigapan.org/gigapans/76215/ и http://www.psc.edu/science/2011/supermassive/
Источник: пресс-релиз Университета Карнеги-Меллона
