Тайна возникновения черных дыр вскоре после Большого взрыва раскрыта

Эти космические гиганты не успели бы развиваться в молодой Вселенной. Тем не менее, наблюдения говорят, что они уже присутствовали ранее. Новое исследование предлагает ответ на загадку.

Они в миллиарды раз больше нашего Солнца: как возможно, что сверхмассивные черные дыры уже присутствовали, когда Вселенной, которой сейчас 14 миллиардов лет, было всего лишь 800 миллионов лет? Для астрофизиков формирование этих космических монстров за такое короткое время – настоящая научная загадка, которая ставит важные вопросы о современных знаниях о развитии этих небесных тел.

В недавней статье, опубликованной в журнале The Astrophysical Journal, SISSA Ph.D., студент Люмен Боко и его руководитель Андреа Лапи предлагает возможное объяснение этой сложной проблемы. Благодаря оригинальной модели, в исследовании предлагается очень быстрый процесс формирования на начальных этапах развития сверхмассивных черных дыр, которые до сих пор считались более медленными. Математически доказав, что их существование возможно в молодой Вселенной, результаты исследования согласовывают время, необходимое для их роста, с ограничениями, налагаемыми возрастом Космоса. Достоверность теории может быть полностью подтверждена благодаря будущим детекторам гравитационных волн, а именно, телескопу Эйнштейна и LISA, но проверена в нескольких основных аспектах также с современной системой Advanced LIGO / Virgo.

Космический монстр, который растет в центре галактик

Ученые начали свое исследование с хорошо известных данных: рост сверхмассивных черных дыр происходит в центральных областях галактик, прародителей современных эллиптических галактик, которые имели очень высокое содержание газа и в которых образовались звезды.

Самые большие звезды живут недолго и очень быстро превращаются в звездные черные дыры, достигающие нескольких десятков от солнечных масс. Они маленькие, но многие образуются в этих галактиках. Плотный газ, который их окружает, обладает очень сильным определяющим эффектом динамического трения и заставляет их очень быстро мигрировать в центр галактики. Большинство многочисленных черных дыр, которые достигают центральных областей, сливаются, создавая сверхмассивные зачатки черных дыр.

Боко и Лапи поясняют: “Согласно классическим теориям, сверхмассивная черная дыра растет в центре галактики, захватывая окружающую материю, главным образом газ, “выращивая” ее на себе и, наконец, пожирая ее в ритме, пропорциональном ее массе. По этой причине на начальных этапах своего развития, когда масса черной дыры мала, рост очень медленный. В той степени, в которой, согласно расчетам, для достижения наблюдаемой массы, в миллиарды раз превышающей массу Солнца, потребуется очень много времени, даже больше, чем возраст молодой Вселенной”. Их исследование, однако, показало, что дела могут идти намного быстрее, чем они предполагают.

Безумная особенность черных дыр: что открыли ученые

“Наши расчеты показывают, что процесс динамической миграции и слияния звездных черных дыр может привести к тому, что сверхмассивные зачатки черной дыры достигают массы от 10000 до 100000 раз больше массы Солнца всего за 50-100 миллионов лет”. В этот момент, по словам исследователей, “рост центральной черной дыры в соответствии с вышеупомянутой прямой аккрецией газа, предусмотренной стандартной теорией, станет очень быстрым, потому что количество газа, которое он сможет привлечь и поглотить, станет огромным и преобладающим в процессе, который мы предполагаем. Тем не менее, именно тот факт, что мы начинаем с такого большого зачатка, как предусмотрено нашим механизмом, ускоряется глобальный рост сверхмассивной черной дыры и позволяет формировать ее также и в молодой вселенной. Короче говоря, в свете этой теории мы можем утверждать, что через 800 миллионов лет после Большого взрыва сверхмассивные черные дыры уже могли заселить космос”.

“Глядя” на сверхмассивные зародыши черной дыры

В статье, помимо иллюстрации модели и демонстрации ее эффективности, также предлагается метод ее проверки: “Слияние многочисленных звездных черных дыр с зародышем сверхмассивной черной дыры в центре создаст гравитационные волны, которые мы ожидаем увидеть и изучить с нынешними и будущими детекторами”, – объясняют исследователи.

В частности, гравитационные волны, испускаемые в начальных фазах, когда центральный зачаток черной дыры все еще мал, будут идентифицироваться современными детекторами, такими как Advanced LIGO / Virgo, и полностью характеризоваться телескопом Эйнштейна.

Последующие этапы развития сверхмассивной черной дыры могут быть исследованы благодаря будущему детектору LISA, который будет запущен в космос в 2034 году. Таким образом, объясняют Боко и Лапи, “предлагаемый нами процесс может быть проверен на разных его этапах”.