Обнуляем представление: новая модель рождения сверхмассивных черных дыр

Сверхмассивные черные дыры — объекты, в сотни миллионов или даже миллиардов раз массивнее обычной звезды, — пожалуй, самые загадочные объекты современной астрофизики. Они скрываются в сердцах большинства крупных галактик, включая и наш Млечный Путь. Учитывая их вездесущность, эти черные дыры могут играть жизненно важную роль в формировании и эволюции Вселенной. Но как они стали настолько массивными — этот вопрос до сих пор беспокоит теоретиков всего мира.

Самое разумное предположение — что эти чудовища смогли вырасти настолько, только лишь поглощая огромные количества газа в течение миллиардов лет — сегодня опровергнуто. Последние наблюдения показали существование черных дыр, которые были в миллиарды раз массивнее Солнца уже через 800 миллионов лет после Большого Взрыва. И снова вопрос: как они растолстели настолько быстро? Большинство астрофизиков сходятся во мнении, что сверхмассивные черные дыры должны были вылупиться из небольших «семян» черных дыр. Просто не совсем понятно, насколько скромным должно быть такое семя. Одна школа мысли считает, что семенные черные дыры должны быть большими — тысячи или десятки тысяч солнечных масс; другая — что семена могут быть небольшими — не больше сотни солнечных масс.

Оба лагеря должны как-то обуздать тот факт, что черные дыры — это прожорливые едоки. Гравитация может стягивать газ ровно до того момента, пока вокруг черной дыры не начнет накапливаться вещество, образуя белый горячий диск, излучающий интенсивную радиацию и отталкивающий приходящий газ, таким образом отрезая поставки продовольствия. Это называется пределом Эддингтона. Считается, что он серьезно снижает скорость, с которой черная дыра может поглощать вещество и расти. Преимущество моделей, использующих небольшие семена, в том, что такие полусредние черные дыры достаточно легко изготовить; недостаток же в том, что для быстрого превращения в сверхмассивные черные дыры они должны миновать предел Эддингтона и, полагаясь на различные возможные исключения, обходить его ограничения. Модели с большим семенем, напротив, соблюдают предел, предоставляя сверхмассивным черным дырам высокий старт, чтобы они могли сожрать как можно больше газа, прежде чем достигнут предела — но более крупные семена сложнее и сделать. Гигантские облака газа, который может коллапсировать с образованием больших семян, может также распадаться на небольшие клочки, образуя скопления звезд, а не большие черные дыры.

Независимо от того, выступаете вы за большие или маленькие семена, «было много теорий, которые пытаются объяснить существование или сборку сверхмассивных черных дыр, но ни одна из них не предложила естественного решения», говорит Наоки Йошида, астрофизик Токийского университета. Йошида является сторонником больших семян, а также соавтором статьи, опубликованной на прошлой неделе в журнале Science. В ней он рассказал, как сверхмассивные черные дыры сформировали неожиданно большую популяцию оных в юной Вселенной. Его «естественное решение» предполагает высокоскоростные потоки газа, текущие через Вселенную после Большого Взрыва и выступающие важным катализатором. В частности, оно полагается на предполагаемое взаимодействие между гамильтонианом и темной материей — таинственным невидимым веществом, которое, по-видимому, действует как гравитационный клей для галактик.

Выращивая черную дыру

Вместе с коллегами в Техасском университете в Остине и Университете Тюбингена в Германии Йошида использовал компьютерные симуляции для воссоздания условий в ранней Вселенной, задав космологические параметры, вроде плотности темной материи, которые астрономы вычислили, измеряя состав ранней Вселенной.

«Мы попытались воспроизвести это изначальное состояние как можно ближе к реальным наблюдениям», говорит Йошида, «и дали Вселенной время на развитие».

Согласно моделированиям ученых, в некоторых частях Вселенной гравитация темной материи могла захватывать быстро движущиеся потоки первичного водорода и гелия, оставшихся после Большого Взрыва. Чуть позже, как выяснили ученые, эти первые газы разгонялись в некоторых областях до диких скоростей — становились «быстрым ветром», как говорит Йошида. «Вы должны представлять, насколько трудно поймать газ, который очень быстро движется», говорит Йошида. Подставьте руку под пожарный шланг — и вода мгновенно отобьет ее. «Единственный способ остановить этот сильный ветер — применить достаточно сильную гравитацию», говорит он. Ученые подсчитали, что на каждые три миллиарда световых лет в ранней Вселенной было достаточно темной материи, чтобы ее гравитация могла захватить такой ветер — будто направить течение реки вспять. Это притяжение между газом и темной материей создало большое газовое облако и не дало сформироваться небольшим звездам на пути.

Смоделированное газовое облако затем коллапсировало в массивную звезду, которая продолжала поглощать больше газа, пока не достигла 34 000 солнечных масс. Эта необычайно массивная гипотетическая звезда могла достичь такой величины только в том случае, если бы состояла из чистых водорода с гелием — двух элементарных газов, которые кружили в ранней Вселенной до того, как первые звезды стали сверхновыми, из которых впоследствии вышли тяжелые элементы — углерод, азот, кислород. Подобные идеи высказывались и ранее, но рабочую модель представили впервые.

«Наше компьютерное моделирование показало, что такого рода явления действительно случаются, а такие большие звезды действительно могут сформироваться», говорит Йошида. Набрав гигантскую массу, звезда наконец коллапсирует и становится семенем для сверхмассивной черной дыры. Йошида считает решение окончательным и естественным. Но не всякий с ним согласится.

Ответ хороший, но…

Другие ученые, которые вполне одобряют гипотезу с большими семенами, иначе видят изначальное формирование этих семян. Недавно опубликованное исследование в Nature Astronomy, например, предполагает, что такие семена формируются не в процессе странных движений темной материи, а скорее из-за поведения обычных звезд в галактиках. По такому сценарию мощные всплески ультрафиолетового света в процессе бурного образования звезд в юной галактике неподалеку будут мешать формированию звезд в гигантском газовом облаке, так что оно будет оставаться пустым достаточно долго, чтобы в конечном итоге коллапсировать в черную дыру с массой до 100 000 солнечных.

Джон Вайс, астрофизик Технологического института Джорджии и соавтор исследования в Nature Astronomy, считает, что эта новая работа будет важным шагом вперед в этой области, потому что Йошида и его коллеги первыми смоделировали последствия движений первого газа для формирования сверхмассивных черных дыр. Но он говорит, что их теория не отрицает его собственной.

«Я думаю, есть много способов сформировать сверхмассивную черную дыру», говорит он. «Это лишь один из них, вполне возможный». При этом он добавляет, что найти настолько быстро движущиеся газы в ранней Вселенной было бы нелегко. Шансы наткнуться на такие ветры в ранней Вселенной, по мнению Йошиды, составляют порядка 0,3%. Но и гигантские газовые облака, соседствующие с юными фабриками по производству звезд, тоже будут редкостью, считает ученый. «Даже не знаю, какова вероятность такого события», говорит Йошида.

Грег Брайан, астрофизик Колумбийского университета и главный автор работы в Nature Astronomy, высоко оценивает новые результаты. «Это не окончательный ответ, но пока он лучше всего подходит для этого конкретного режима формирования черных дыр», говорит он. Его также беспокоит, насколько близко такое моделирование к формированию небольших звезд. Чтобы сформировалась черная дыра, первые газы должны были собраться в очень небольшой области, чего могло бы и не произойти, если бы они оказались разбитыми небольшими скоплениями звезд. Если немного изменить условия моделирования, массивное семя не образуется. «С другой стороны, мне нравится их модель, я ей верю», добавляет Брайан.

Фульвио Мелиа, астрофизик Аризонского университета, не в восторге от этой теории. «Авторы полагаются на кучу неизвестной физики, как все другие предположения о формировании массивных семян или быстром росте подобных объектов», говорит он. «Им стоило бы сделать конкретные предположения о поведении темной материи, но мы ведь даже не знаем, что она такое».

Зерно сомнения

Чтобы окончательно ответить на вопрос о том, как появляются эти массивные звери, ученые указывают на будущую возможность наблюдения этих «семян» в ранней Вселенной с использованием телескопов следующего поколения. Такая возможность представится в скором времени. Уже выдвинуто несколько инициатив, например, миссия ЕКА ATHENA, которая готовится к запуску в 2028 году и сможет уловить рентгеновские выбросы этих сверхмассивных гигантов. Вот-вот заработает космический телескоп Джеймса Вебба, который займется изучением первых звезд и галактик Вселенной.

«Интересно то, что эти идеи можно будет проверить уже в следующие пару лет, потому что люди займутся поиском этих объектов по всему небу», говорит Мелиа.