Черные дыры, настолько массивные, что они не должны существовать, могут появиться в результате редкого тройного слияния

Сверхмассивные черные дыры — одни из самых крупных объектов во Вселенной. Их эволюцию, в миллионы и миллиарды раз превышающую массу Солнца, сложно объяснить.

И более высокий диапазон масс для этих объектов, особенно в начале истории Вселенной, еще более сложен. Эти сверхмассивные черные дыры имеют массу более 10 миллиардов Солнц, и это не просто теоретическое предположение. Галактика под названием J2157, обнаруженная около 12,3 миллиарда лет назад, содержала черную дыру массой 34 миллиарда солнечных, а галактика S5 0014+81 около 12,1 миллиарда лет назад имела дроссель массой 40 миллиардов солнечных.

Если они черные дыры просто сидели и росли, питаясь окружающим их материалом, и нет никакого шанса, что, когда Вселенная была менее 10 процентов от ее нынешнего возраста, у них было бы достаточно времени, чтобы стать такими большими.

Очевидно. , однако, их существование не невозможно. Они там, в конце концов. А новая симуляция с использованием мощного суперкомпьютера для моделирования ранней Вселенной дала нам средства, с помощью которых эти звери могут существовать, не нарушая наши нынешние космологические модели.

«Мы обнаружили, что один из возможных каналов формирования ультра Массивные черные дыры возникли в результате экстремального слияния массивных галактик, которое, скорее всего, произойдет в эпоху «космического полудня», — объясняет астрофизик Юинг Ни из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA).

Медленный рост за счет аккреции — это лишь один из способов увеличения массы черных дыр. Другой путь, который мы действительно наблюдали в последние годы, — это столкновение двух черных дыр. Это своего рода кратчайший путь к получению большого количества массы, что приводит к черной дыре, которая едва достигает совокупной массы объектов до слияния, поскольку небольшой процент массы улетучивается в виде гравитационной энергии во время слияния. p>

Чтобы определить, как сверхмассивные черные дыры могут образовываться в ранней Вселенной, Ни и ее коллеги использовали специально разработанное программное обеспечение под названием Astrid, предназначенное для изучения эволюции Вселенной, включая образование галактик и слияния сверхмассивных черных дыр. Они запускают Астрид на суперкомпьютере под названием Frontera в Техасском центре передовых вычислений.

Суперкомпьютер необходим, потому что вам нужен большой объем пространства для наблюдения экстремальных выбросов, таких как сверхмассивные черные дыры, а это, в свою очередь, , требует больших вычислительных мощностей. Но это окупилось: около 10 миллиардов лет назад исследователи наблюдали формирование черных дыр массой около 10 миллиардов солнечных.

«Мы обнаружили три сверхмассивные черные дыры, которые накопили свою массу во время космического полудня, то есть 11 миллиардов лет назад, когда началось активное звездообразование. Ядра галактик (АЯГ) и сверхмассивные черные дыры в целом достигают своего пика активности», — говорит Ни.

«В эту эпоху мы заметили экстремальное и относительно быстрое слияние трех массивных галактик. Каждая из масс галактик в 10 раз больше массы нашего Млечного Пути, а сверхмассивная черная дыра находится в центре каждой галактики.Наши результаты показывают возможность того, что эти триплетные системы квазаров являются прародителями этих редких сверхмассивных черных дыр после того, как эти триплеты гравитационно взаимодействуют и сливаются друг с другом.»

Мы знаем, что галактики иногда сталкиваются и сливаются друг с другом — Млечный Путь сам по себе является чем-то вроде чудовища Франкенштейна из меньших галактик — и что эти слияния могут быть трехсторонними. разгромы. Моделирование Астрид показывает, что это может происходить и в ранней Вселенной с квазарами большой массы.

Это класс галактик с гиперактивной сверхмассивной черной дырой в центре, активно поглощающей так много материала. что они излучают свет на миллиарды световых лет, самые яркие объекты во Вселенной.

Когда эти галактики сливаются, то же самое происходит и с их сверхмассивными черными дырами, опускающимися к центру вновь объединенной массивной галактики, чтобы совершить орбитальный танец, который в конечном итоге приведет к слиянию массивных черных дыр. Мы не знаем, с какой скоростью происходят эти столкновения — частота излучаемых ими гравитационных волн слишком мала для нашего текущего диапазона обнаружения, — но оценки показывают, что это происходит довольно часто.

Новые достижения в области технологий Однако это может означать, что мы гораздо ближе к обнаружению наблюдаемых доказательств этих слияний. Будущая космическая антенна NASA с лазерным интерферометром (LISA) сможет обнаруживать гораздо более широкий диапазон гравитационных волн; а мощный космический телескоп Джеймса Уэбба даже сейчас заглядывает в далекую Вселенную, чтобы раскрыть ее секреты.

Выводы команды и моделирование Astrid помогут ученым лучше интерпретировать наблюдения JWST и выяснить, как космический полдень сформировал Вселенную, которую мы видим вокруг себя сегодня.

«Это захватывающее время для астрофизиков», – говорит Ни.

Исследование опубликовано в The Astrophysical Journal Letters.