Привідкрито механізм утворення надмасивних чорних дір

Нещодавно відкриті чорні діри мають масу в 10 млрд разів більшу за масу нашого Сонця. Нове теоретичне моделювання, проведене англійськими й австралійськими астрономами, показує, що таке зростання цілком могло відбутися під час формування й подальшого зіткнення двох акреційних дисків.

Нещодавно виявлені в центрах далеких галактик чорні діри мають масу в 10 млрд разів більшу за масу нашого Сонця. Наявні теорії формування чорних дір виключали можливість набуття ними такої маси за всю історію Всесвіту. Нове теоретичне моделювання, проведене британськими й австралійськими астрономами, показує, що таке зростання цілком могло відбутися під час формування й подальшого зіткнення двох акреційних дисків (див. відео).

Дослідницька група з Лестерського університету (Велика Британія) й Університету Монаша (Австралія) розробила нову теорію зростання надмасивних чорних дір (НЧД). Нагадаємо: після виявлення в центрах нововідкритих галактик NGC 3842 і NGC 4889 НЧД в астрофізиці сталася певна криза уявлень про формування цих незвичайних об’єктів. До того вважали, що навколо ЧД із газу, який вони притягують, утворюється щось на кшталт виру, тобто акреційний диск. Речовина в ньому розганяється до великих швидкостей, прямуючи до горизонту подій ЧД. На цих швидкостях через тертя атомів і молекул одне об одне й надзвичайно високу густину починається акреція, під час якої виділяється величезна енергія, а газ у диску нагрівається до такої високої температури, що починає випромінювати в рентгенівському діапазоні.

Ця схема формування й зростання легко пояснювала раніше спостережувані НЧД, як-от та, що міститься в центрі нашого Чумацького Шляху (Стрілець А*), маса якої становить лише 4 млн мас Сонця. Проблема в тому, що акреційний диск обертається навколо ЧД, і що більша діра, що сильніше вона притягує до себе міжзоряну речовину, то більша швидкість обертання акреційного диска навколо самої діри. Але відцентрове обертання означає, що просто провалитися за горизонт подій міжзоряному газу не вдасться: відцентрові сили відносять його геть, і хоча колись він упаде в ЧД, це станеться значно пізніше, ніж якби диска не було зовсім. Інакше кажучи, цей галактичний Мальстрем різко обмежує «пропускну здатність» горизонту подій ЧД й накладає серйозні обмеження на її апетити. Та що там обмеження! Він фактично змушує її поглинати навколишню речовину через трубочку, замість того щоб спокійно захоплювати її з тією швидкістю, яку дозволяє надпотужна гравітація цих незвичайних утворень.

На короткий час навколо чорної діри можуть виникнути два акреційні диски. (Тут і нижче зображення Лестерського університету.)

Так ось, автори цього дослідження випробували теоретичну модель, яку наукова спільнота ще не обговорювала: ідеться про два акреційні диски, що формуються під різними кутами відносно ЧД, яка їх породила.

Комп’ютерне моделювання такого сценарію дало зовсім незвичайні результати. Два газові диски, що обертаються під різними кутами, набравши необхідну масу й розміри, неминуче стикаються між собою протягом дуже короткого проміжку часу. При цьому вони руйнуються, і на межі горизонту подій запановує цілковитий хаос. Потоки газу в комп’ютерній моделі після цієї події почали рухатися невимовним чином, набувати так само невимовних форм, при цьому вони втратили свою величезну швидкість обертання навколо ЧД, і дуже значна частина газу почала провалюватися за горизонт подій зі швидкістю в тисячу разів більшою, ніж за наявності одного впорядкованого газового диска.

«Якщо в цирковому шоу два мотоциклісти всередині тісної кулі з прутів зіткнуться, то вони втратять ту відцентрову силу, яка притискає колеса їхніх мотоциклів до стінок, і впадуть», — пояснює проведене моделювання Ендрю Кінг, професор факультету фізики й астрономії Лестерського університету.

Отже, питання формування НЧД, здається, розв’язане:

Але не можна сказати, що нам усе зрозуміло й у межах нової моделі. Зі спостережень очевидно, що лише мала частина відомих ЧД має маси в мільярди Сонць; більша частина в тисячі разів легша. Не дуже зрозуміло, чому лише у двох відомих НЧД утворювалися (і неминуче потім стикалися) два (і більше) газові кільця, а в більшості все обмежувалося одним, і, відповідно, швидкість поглинання ними навколишньої речовини була значно помірнішою. Учені припускають, що ті ЧД, які виникли ще в молодому Всесвіті, де середня густина речовини була значно вищою, могли встигнути притягнути до себе надто багато матерії на ранній стадії розвитку, після чого формування в них двох газових дисків одночасно ставало неминучим.

Інше питання — сам механізм формування великої неквантової ЧД, здавалося б, перешкоджає їх утворенню в ранньому Всесвіті, адже дві нейтронні зорі та інші необхідні складники просто не мали б устигнути утворитися до епохи масової появи зір пізніх популяцій. Немає ясності й щодо того, чи може хаотичний рух газу з двох різних дисків спричинити виникнення релятивістського струменя.

...Але, перетнувшись, вони розпадуться, і газ, із якого вони складаються, почне хаотично падати в ЧД.

Утім, услід за теорією, що описує, як ЧД досягають надшвидкого поглинання навколишнього світу, завжди може виникнути теорія про те, як вони могли з’явитися на кілька мільярдів років раніше, ніж вважали...

Підготовлено за матеріалами Лестерського університету.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.