Астрономы обнаружили очень старые сверхмассивные черные дыры, которые образовались, когда Вселенная была совсем молодой. Но они были озадачены тем, как черная дыра может вырасти до таких огромных размеров, когда сама Вселенная была всего лишь малышом.
Астрономы обнаружили, что через полмиллиарда лет после Большого взрыва появился уникальный набор условий, которые позволили этим монстрам образоваться черным дырам. Необычный источник интенсивного излучения создал так называемые черные дыры с прямым коллапсом.
«Это космическое чудо», - сказал Волкер Бромм из Техасского университета в Остине, который работал с несколькими астрономами над этим открытием. «Это единственный раз в истории вселенной, когда условия как раз подходят для их формирования».
Общепринятое понимание того, как образуются черные дыры, называется теорией аккреции, где коллапс чрезвычайно массивной звезды и «семена» черных дыр строятся из коллапса путем втягивания газа из окружающей среды и слияния более мелких черных дыр. Но этот процесс занимает много времени, намного дольше, чем время, когда эти быстро образующиеся черные дыры были вокруг. Кроме того, в ранней Вселенной не было количества газа и пыли, необходимого для роста сверхмассивных черных дыр до гигантских размеров.
Новые результаты предполагают, что некоторые из первых черных дыр образовались непосредственно, когда облако газа разрушилось, минуя любые другие промежуточные фазы, такие как образование и последующее разрушение массивной звезды.
Конечно, эти черные дыры, как любая черная дыра, не видны. Но были убедительные доказательства их существования, поскольку они необходимы для питания очень ярких квазаров, обнаруженных в молодой вселенной. Огромная яркость квазара происходит из-за того, что материя превращается в сверхмассивную черную дыру, нагреваясь до миллионов градусов, создавая струи, которые сияют, как маяки, по всей Вселенной. Но поскольку теория аккреции не объясняет сверхмассивные черные дыры в чрезвычайно далекой - и, следовательно, молодой - вселенной, астрономы также не могут объяснить квазары. Это называется «проблема семян квазаров».
«Квазары, наблюдаемые в ранней вселенной, напоминают гигантских детей в родильной палате, полной нормальных младенцев», - говорит Ави Леб из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, который работал с Броммом. «Остается только удивляться: что особенного в окружающей среде, которая воспитывала этих гигантских детей? Обычно резервуар холодного газа в близлежащих галактиках, таких как Млечный Путь, поглощается в основном звездообразованием ».
Но в 2003 году Бромм и Леб выступили с теоретической идеей, чтобы заставить раннюю галактику сформировать сверхмассивную начальную черную дыру, подавляя в противном случае запрещающий вход энергии от звездообразования. Они назвали процесс «прямым коллапсом».
«Начните с« исконного облака водорода и гелия, наполненного морем ультрафиолетового излучения », - сказал Бромм. «Вы хрустите этим облаком в гравитационном поле гало темной материи. Обычно облако может охлаждаться и разбиваться, образуя звезды. Однако ультрафиолетовые фотоны поддерживают газ горячим, подавляя тем самым образование звезд. Это желаемые, почти чудесные условия: распад без фрагментации! Поскольку газ становится все более и более компактным, в конечном итоге у вас появляются условия для массивной черной дыры ».
Этот набор космических условий, кажется, существовал только в самой ранней вселенной, и этот процесс не происходит в галактиках сегодня.
Чтобы проверить свою теорию, Бромм, Лоеб и их коллега Аарон Смит начали изучать галактику CR7, определенную в результате исследования космического телескопа Хаббла под названием COSMOS, примерно через 1 миллиард лет после Большого взрыва.
Дэвид Собрал из Лиссабонского университета провел последующие наблюдения CR7 с некоторыми из крупнейших в мире наземных телескопов, включая Keck и VLT. Они обнаружили некоторые чрезвычайно необычные особенности в легкой подписи CR7. В частности, водородная линия Лайман-альфа была в несколько раз ярче, чем ожидалось. Примечательно, что спектр также показал необычно яркую гелиевую линию.
«Все, что движет этим источником, очень горячо - достаточно горячо, чтобы ионизировать гелий», - сказал Смит, около 100 000 градусов по Цельсию.
Эти и другие необычные особенности в спектре означали, что это может быть либо скопление первичных звезд, либо сверхмассивная черная дыра, вероятно, образованная прямым коллапсом.
Смит проводил моделирование для обоих сценариев, и, хотя сценарий звездного скопления «эффектно провалился», сказал Смит, модель черной дыры с прямым коллапсом показала хорошие результаты.
Кроме того, в начале этого года исследователи использовали объединенные данные из рентгеновской обсерватории Чандра, космического телескопа Хаббла и космического телескопа Спитцера, чтобы идентифицировать эти возможные семена черной дыры. Они обнаружили два объекта, оба из которых соответствовали теоретическому профилю в инфракрасных данных. (прочитайте их статью здесь.)
Кажется, астрономы «сходятся на этой модели», сказал Смит, для решения проблемы семян квазара и загадки ранней черной дыры.
Следите за обновлениями.
Работа Брома, Леба и Смита опубликована в журнале «Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества».
Источники:
RAS, Harvard-Smithsonian CfA, Пресс-релиз для обнаружения НАСА обнаружения черных дыр прямого коллапса в начале этого года.
