Ранняя Вселенная могла быть полна очень темных дыр

Сверхмассивные черные дыры — одни из самых впечатляющих (и пугающих) объектов во Вселенной — их масса примерно в миллиард раз превышает массу Солнца. И мы знаем, что они существуют уже давно.

На самом деле, астрономы обнаружили чрезвычайно яркие компактные источники, расположенные в центрах галактик, известные как квазары (быстро растущие сверхмассивные черные дыры). , когда Вселенной было менее 1 миллиарда лет.

Теперь наше новое исследование, опубликованное в Astrophysical Journal Letters, использовало наблюдения космического телескопа Хаббл, чтобы показать, что существовали в ранней Вселенной было гораздо больше (гораздо менее ярких) черных дыр, чем предполагалось в предыдущих оценках. Удивительно, но это может помочь нам понять, как они образовались – и почему многие из них кажутся более массивными, чем ожидалось.

Черные дыры растут, поглощая материал, который их окружает, в процессе, известном как аккреция. Это производит огромное количество радиации. Давление этого излучения накладывает фундаментальный предел на скорость роста черных дыр.

Поэтому учёные столкнулись с проблемой объяснения этих ранних массивных квазаров: не имея большого космического времени для питания, они должны либо выросли быстрее, чем это физически возможно, либо родились на удивление массивными.

Легкие или тяжелые семена

Но как вообще образуются черные дыры? Существует несколько возможностей. Во-первых, так называемые первичные черные дыры начали существовать вскоре после Большого взрыва. Хотя это и правдоподобно для черных дыр с небольшой массой, массивные черные дыры не могли образоваться в значительных количествах в соответствии со стандартной моделью космологии.

Черные дыры определенно могут образовываться (теперь это подтверждено гравитационно-волновой астрономией) на заключительных стадиях. о короткой жизни некоторых нормальных массивных звезд. Такие черные дыры в принципе могли бы быстро расти, если бы образовались в чрезвычайно плотных звездных скоплениях, где звезды и черные дыры могут сливаться. Именно эти «семена звездной массы» черных дыр должны будут вырасти слишком быстро.

Альтернатива состоит в том, что они могла образоваться из «тяжелых семян» с массой примерно в 1000 раз большей, чем у известных массивных звезд. Одним из таких механизмов является «прямой коллапс», при котором ранние структуры неизвестного невидимого вещества, известного как темная материя, удерживали газовые облака, в то время как фоновое излучение не позволяло им образовывать звезды. Вместо этого они превратились в черные дыры.

Проблема в том, что лишь небольшая часть гало темной материи вырастает достаточно большой, чтобы образовать такие семена. Так что это работает как объяснение только в том случае, если ранние черные дыры достаточно редки.

Слишком много черных дыр

В течение многих лет у нас была хорошая картина того, сколько галактик существовало в первый миллиард лет космического времени. Но найти черные дыры в этих средах было чрезвычайно сложно (доказать удалось только существование светящихся квазаров).

Хотя черные дыры растут, поглощая окружающий материал, это не происходит с постоянной скоростью — они разбивают свое питание на » еды», из-за чего их яркость меняется со временем. Мы отслеживали изменения яркости некоторых из самых ранних галактик в течение 15 лет и использовали это для новой подсчета количества черных дыр.

Оказывается, их в несколько раз больше в обычных ранних галактиках находится гораздо больше черных дыр, чем мы первоначально думали.

Другие недавние новаторские работы с космическим телескопом Джеймса Уэбба (JSTW) начали приходить к аналогичным выводам. В общей сложности у нас больше черных дыр, чем может образоваться путем прямого коллапса.

Есть другой, более экзотический способ образования черных дыр, который может производить семена, которые будут одновременно массивными и обильными. Звезды формируются в результате гравитационного сжатия газовых облаков: если значительное количество частиц темной материи удастся захватить во время фазы сжатия, то внутренняя структура может быть полностью изменена – и ядерное воспламенение предотвращено.

Поэтому рост может продолжаться еще в течение долгого времени. во много раз дольше, чем типичное время жизни обычной звезды, что позволяет им стать намного массивнее. Однако, как и обычные звезды и объекты прямого коллапса, ничто в конечном итоге не способно противостоять непреодолимой силе гравитации. Это означает, что эти «темные звезды» также должны в конечном итоге схлопнуться, образовав массивные черные дыры.

Теперь мы полагаем, что процессы, подобные этому, должны были произойти для образования большого количества черных дыр, которые мы наблюдаем в молодой Вселенной. .

Планы на будущее

За последние два года исследования раннего образования черных дыр претерпели изменения, но в некотором смысле эта область только начинается.

Новые обсерватории в космосе, такие как миссия Евклида или римский космический телескоп Нэнси Грейс, пополнят нашу базу более слабых квазаров в ранние времена. Миссия NewAthena и комплекс Square Kilometer Array в Австралии и Южной Африке откроют наше понимание многих процессов, окружающих черные дыры в ранние времена.

Но на самом деле именно JWST мы должны наблюдать в космосе. немедленный срок. Благодаря его чувствительности к визуализации и мониторингу, а также спектроскопическим возможностям, позволяющим видеть очень слабую активность черных дыр, мы ожидаем, что в ближайшие пять лет мы действительно сможем точно определить количество черных дыр во время формирования первых галактик.

Мы можем даже поймать черные дыры.

Мы можем даже поймать черные дыры. образование дыр в действии, став свидетелем взрывов, связанных с коллапсом первых нетронутых звезд. Модели говорят, что это возможно, но это потребует скоординированных и целенаправленных усилий астрономов. count.gif?distributor=republish-lightbox-basic» alt=»Разговор» width=»1″ height=»1″ Referrerpolicy=»no-referrer-when-downgrade» loading=»lazy»>

Мэттью Дж. Хейс, доцент кафедры астрофизики Стокгольмского университета

Эта статья перепечатана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.