Ранняя Вселенная позволила черным дырам нарушать правила, коротко
В центре Млечного Пути, всего в 27 000 световых годах от Земли, находится сверхмассивная черная дыра с массой более 4 миллионов Солнц.
Почти все галактики содержат сверхмассивную черную дыру, и многие из них гораздо более массивны. Черная дыра в эллиптической галактике М87 имеет массу 6,5 миллиардов Солнц. Самые большие черные дыры имеют массу более 40 миллиардов солнечных.
Мы знаем, что эти монстры скрываются в космосе, но как они образовались?
Одна из идей заключается в том, что сверхмассивные черные дыры образуются с течением времени в результате слияний. Из-за темной материи и темной энергии галактики образовались в скоплениях, разделенных пустотами.
По теме: Ученые наконец разгадали 70-летнюю тайну «невозможного тепла» Солнца
Со временем пустоты становятся больше, а галактики группируются вместе и в конечном итоге сливаются. Черные дыры внутри этих галактик также сливаются, образуя сверхмассивные объекты, которые мы видим сегодня.
Конечно, это требует времени. Если эта модель верна, самые далекие галактики должны иметь меньшие черные дыры массой в миллион солнечных, а мы должны видеть только гигантов с массой в миллиард солнечных масс в соседней Вселенной.
Но наблюдения с космического телескопа Джеймса Уэбба показали, что сверхмассивные черные дыры во многих самых далеких галактиках огромны.
Черные дыры с массой более миллиарда Солнц уже существовали, когда Вселенной было всего полмиллиарда лет. Эти молодые гиганты слишком велики, чтобы их можно было объяснить слияниями, и они не поддаются традиционным объяснениям.
Вы можете задаться вопросом, почему. В конце концов, ранняя Вселенная была невероятно плотной. Поскольку вокруг достаточно материи, чтобы черные дыры могли завтракать, почему они не могли быстро набрать вес?
Причина — это так называемый предел Эддингтона. Когда материя притягивается к черной дыре, она превращается в сверхгорячую плазму высокого давления. Это отталкивает более отдаленную материю от черной дыры, замедляя скорость роста.
Предел Эддингтона — это самая высокая скорость, с которой может расти черная дыра. Эта скорость недостаточно высока, чтобы объяснить все гигантские черные дыры, которые мы видим в раннем космосе.
Но самый ранний период Вселенной сильно отличается от современной Вселенной. Что, если бы лимит Эддингтона тогда не действовал? Этот вопрос рассматривается в недавнем исследовании, доступном на arXiv.
Авторы создали сложные гидродинамические модели, чтобы рассмотреть образование черных дыр во время космической темной эпохи.
Период после того, как электроны и ядра остыли, чтобы образовать атомы, но до реионизации, когда сформировались первые звезды и вновь зажгли космос светом. Мы знаем, что в этот период начали формироваться галактики, поэтому разумно предположить, что в это время также образовались сверхмассивные черные дыры.
На основе своего моделирования авторы обнаружили, что существует период суперэддингтона. Существуют области, достаточно плотные, чтобы сверхгорячий материал вблизи черной дыры не мог очистить эту область.
Это позволило ранним черным дырам расти со скоростью, превышающей возможную сегодня, но только до примерно 10 000 солнечных масс.
Согласно симуляциям, после этого срабатывает петля обратной связи Эддингтона, и скорость роста снова ограничивается. Команда также обнаружила, что этот суперэддингтоновский рост не особо помогает в долгосрочной перспективе.
В конце концов, даже черные дыры, которые всегда растут субэддингтоновскими темпами, достигнут той же массы. Олимпийский спринтер Усэйн Болт, возможно, и самый быстрый человек в мире, но марафонец Элиуд Кипчоге обгонит его в более длительной дистанции.
Это исследование убедительно свидетельствует о том, что суперэддингтоновский рост не может объяснить все черные дыры с миллиардами солнечных масс, которые мы видим в ранней Вселенной.
Поскольку галактические слияния также не могут их объяснить, эта работа указывает на другое решение: черные дыры с зародышевой массой, которые сформировались очень рано, возможно, даже во время инфляционный период вскоре после Большого взрыва.
Эта статья была первоначально опубликована в журнале Universe Today. Прочтите оригинал статьи.
