Описано механізм швидкого зростання чорних дір у молодому Всесвіті

Астрофізики зі США та Швеції розробили модель формування масивних чорних дір у перші 300–400 млн років еволюції Всесвіту, започаткованого надходженням газу до центральної області зоряних скупчень.

Астрофізики з Лундської обсерваторії (Швеція), Мерілендського та Мічиганського університетів (обидва — США) запропонували механізм швидкого зростання чорних дір у молодому Всесвіті.

Нова модель, можливо, розв’яже проблему, з якою астрономи зіткнулися на початку XXI століття під час спостережень віддалених активних галактик: виявилося, що надмасивні (з масою близько 10⁹ сонячних) чорні діри формуються на червоному зміщенні z > 6. Якби їхній розвиток починався із «зародка» зоряної маси й тривав завдяки акреції газу, темп якої обмежує стандартна межа Еддінгтона, набрати потрібну масу за такий короткий час вони просто не встигли б. Отже, або акреція на певному етапі зростання ставала надеддінгтонівською, або «зародки» надмасивних чорних дір мали бі́льшу масу.

Останнє припущення й стало основою моделі, у якій розглядається еволюція скупчення без газу, що містить чорні діри зоряної маси та звичайні зорі головної послідовності. Чорні діри цілком природно групуються в центрі скупчення й активно взаємодіють. Утворені ними подвійні системи, енергія зв’язку яких менша за типову кінетичну енергію одиночної чорної діри, руйнуються під час цих взаємодій. Натомість подвійні системи з протилежними характеристиками «зміцнюватимуться» при зустрічах з одинаками й розігріватимуть скупчення, запобігаючи його колапсу.

Проте теоретиків цікавив зовсім інший результат моделювання: скупчення мало зменшитися в розмірах і (або) набрати масу, щоб умови в його ядрі сприяли об’єднанню чорних дір та створенню масивного «зародка». Такий розвиток подій цілком імовірний, оскільки за великих z до центральних областей скупчень можуть надходити значні обсяги газу. Про це свідчать розрахунки формування галактик, результати яких наведено нижче; добре видно, що маса в ядрі галактики швидко зростає за великих червоних зміщень.

Моделювання формування масивної галактики. Суцільною та пунктирною лініями показано загальну масу газу й зір у радіусі 520 пк від центра галактики. (Ілюстрація з Astrophysical Journal Letters.)

Після надходження газу подвійні системи, які раніше постачали енергію ядру скупчення, мають розпадатися, а компоненти всіх збережених подвійних — об’єднуватися. У результаті утворюється популяція чорних дір із широким розподілом за масою, а ядро скупчення, позбавлене джерела енергії, стискається, стимулюючи утворення нових подвійних систем із чорних дір. Час життя цих подвійних буде зовсім коротким, і невдовзі відбудуться нові об’єднання, які завершаться тим, що бі́льша частина загальної початкової маси чорних дір перейде до однієї з них.

За словами авторів, новий теоретичний механізм дає змогу сформувати чорну діру з масою ~10⁵ сонячних уже через 300–400 млн років після Великого вибуху. До червоного зміщення z ~ 6 цей «зародок» легко встигне набрати потрібну масу за нормальної еддінгтонівської акреції.

Повну версію звіту опубліковано у виданні Astrophysical Journal Letters; препринт статті можна завантажити із сайту arXiv.

Підготовлено за матеріалами NewScientist.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.