Їхня маса в мільярди разів більша, ніж у Сонця: що уможливило появу надмасивних чорних дір, які спостерігали нещодавно, коли Всесвіту, вік якого нині 14 мільярдів років, було «лише» 800 мільйонів років? Для астрофізиків формування цих космічних монстрів за такий короткий час — справжня наукова головоломка, яка ставить важливі питання щодо сучасних знань про розвиток цих небесних тіл.
Згідно з класичними теоріями, ці космічні гіганти не мали б часу для розвитку в молодому Всесвіті. Однак спостереження вказують на те, що вони вже були в ньому присутні. Нове дослідження пропонує відповідь на захопливе питання.Фото з сайту https://phys.org.
У недавній статті, оприлюдненій в Astrophysical Journal, докторант Міжнародної школи передових досліджень (Scuola Internazionale Superioredi Studi Avanzati, SISSA) Люмен Боко (LumenBoco) та його керівник Андреа Лапі (Andrea Lapi) пропонують можливе пояснення цій таємниці. Завдяки оригінальній теоретичній моделі, розробленій науковцями з Трієста (Італія), вдається показати дуже швидкий процес формування надмасивних чорних дір на початковому етапі їх розвитку. Тобто, саме тієї фази розвитку, яку досі вважали повільною.
Знайшовши математичні докази існування таких об’єктів у молодому Всесвіті, результати досліджень узгоджують терміни, потрібні для їх зростання, не виходячи за межі загальноприйнятого значення віку нашого світу. Ця теорія може бути повністю підтверджена завдяки майбутнім детекторам гравітаційних хвиль (зокрема, Телескоп Айнштайна та LISA), а кілька її основних положень можна перевірити за допомогою наявної вдосконаленої системи LIGO/Virgo.
Науковці розпочали своє дослідження спираючись на відомі спостережні результати: зростання надмасивних чорних дір відбувається в центрі галактик, від яких походять нинішні еліптичні галактики. Вони містили дуже багато газу і в них процес утворення зір був надзвичайно інтенсивним. «Наймасивніші зорі живуть короткий час і дуже швидко еволюціонують у чорні діри зоряної маси. Вони невеликі, але в цих галактиках їх утворюється багато». Щільний газ, який їх оточує, пояснюють Боко та Лапі, має дуже сильний ефект динамічного тертя і змушує їх дуже швидко мігрувати до центру галактики. Більшість із численних чорних дір, що досягають центральної ділянки галактики, зливаються, створюючи надмасивний «зародок» чорної діри.
Боко і Лапі зазначають: «Згідно з класичними теоріями, надмасивна чорна діра виростає в центрі галактики, накопичуючи довкола себе речовину, головно газ, а далі поглинає його в ритмі, пропорційному її масі. З цієї причини на початковій фазі розвитку, коли маса чорної діри невелика, зростання відбувається дуже повільно. Так повільно, що, згідно з розрахунками, для досягнення спостережуваної маси в мільярди разів більшої, ніж маса Сонця, знадобиться дуже тривалий час, навіть більший, ніж вік молодого Всесвіту». Однак їхнє дослідження показало: все може піти набагато швидше.
«Наші чисельні розрахунки показують, що процес динамічної міграції та злиття чорних дір зоряної маси може змусити надмасивну основу чорної діри досягти маси в 10 000 — 100 000 разів більше, ніж у Сонця, лише за 50 —100 мільйонів років». У цей період, зазначають дослідники, «зростання центральної чорної діри внаслідок вищезгаданого прямого накопичення газу, що передбачає стандартна теорія, стане дуже швидким, бо кількість газу, яку їй вдасться накопичити та поглинути, стане величезною. Цей процес зростання чорної діри буде переважати над тим, який ми пропонуємо. Проте, саме той факт, що зростання починається з такого великого “зародку”, передбаченого механізмом, який ми запропонували, прискорює загальне зростання надмасивної чорної діри і дозволяє її сформуватисяв молодому Всесвіті. Зважаючина цю теорію, ми можемо констатувати, що через 800 мільйонів років після Великого Вибуху надмасивні чорні діри вже могли заселити Космос».
У статті, крім ілюстрації моделі та демонстрації її ефективності, запропоновано також метод її тестування: «Злиття численних чорних дір зоряної маси з основою надмасивної чорної діри в центрі галактики призведе до появи гравітаційних хвиль, які ми сподіваємося зареєструвати та вивчити за допомогою нинішніх та майбутніх детекторів», — пояснюють дослідники. Зокрема, гравітаційні хвилі, що виникають на початкових фазах, коли центральний «зародок» чорної діри ще невеликий, можуть бути виявлені нинішніми детекторами на кшталт Advanced LIGO/Virgo і повністю вивчені за допомогою майбутнього Телескопа Айнштайна. Подальші етапи розвитку надмасивної чорної діри можна буде дослідити завдяки майбутньому детектору LISA, який планують запустити в космос у 2034 році. Таким чином, поясніть Боко та Лапі, «процес, який ми пропонуємо, може бути підтверджений у різних його фазах за допомогою майбутніх детекторів гравітаційних хвиль».
«Це дослідження», — підсумовує Андреа Лапі, координатор групи «Астрофізика та космологія» в SISSA, — «показує, як студенти та дослідники нашої групи наближаються до нової межі виявлення гравітаційних хвиль та багатоканальної астрономії. Зокрема, наша основна мета буде в тому, щоб розробити теоретичні моделі, схожі на створену для цього випадку, які уможливлять розуміння та використання інформації, отриманої в нинішніх і майбутніх експериментах з реєстрації гравітаційних хвиль. Це, сподіваємось, дасть змогу запропонувати розв’язки для невирішених питань, пов’язаних з астрофізикою, космологією та фундаментальною фізикою».
За інф. зсайту https://phys.org підготував Іван Крячко
