Астрономы Аарон Смит и Фолькер Бромм из Техасского университета в Остине, работая с Ави Лоэбом из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, обнаружили доказательства необычного вида черной дыры, зародившейся очень рано во Вселенной. Они показали, что недавно обнаруженный необычный источник интенсивного излучения, вероятно, питается от «черной дыры прямого коллапса», типа объекта, предсказанного теоретиками более десяти лет назад. Их работа опубликована сегодня в журнале Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.
«Это космическое чудо», - сказал Бромм, имея в виду точный набор условий, существовавших через полмиллиарда лет после Большого взрыва, которые позволили появиться этим гигантам. «Это единственный раз в истории Вселенной, когда условия для их образования как раз подходят».
Эти черные дыры прямого коллапса могут быть решением давней загадки астрономии: как образовались сверхмассивные черные дыры в ранние эпохи Вселенной? Имеются веские доказательства их существования, поскольку они необходимы для питания очень ярких квазаров, обнаруженных в молодой Вселенной. Однако есть несколько проблем, которые должны препятствовать их образованию, а традиционный процесс роста слишком медленный.
Астрономы думают, что знают, как сверхмассивные черные дыры весом в миллионы солнц растут в сердце большинства галактик в нашу нынешнюю эпоху. Они начинают с «зародышевой» черной дыры, образовавшейся в результате коллапса чрезвычайно массивной звезды. Эта семенная черная дыра имеет массу около 100 солнц. Она втягивает газ из своего окружения, становится намного массивнее и в конечном итоге может слиться с другими черными дырами-семянами. Весь этот процесс называется аккрецией.
Теория аккреции не объясняет сверхмассивные черные дыры в очень далеких и, следовательно, молодых квазарах. Невероятная яркость квазара, видимого для нас, несмотря на расстояние в миллиарды световых лет, обусловлена тем, что материя скручивается по спирали в сверхмассивную черную дыру, нагревается до миллионов градусов и создает струи, сияющие как маяки во Вселенной.
Эти ранние галактики, возможно, содержали первое поколение звезд, образовавшихся после Большого Взрыва. И хотя эти звезды могут коллапсировать, образуя черные дыры, они не работают как ранние зародыши квазаров. У черной дыры нет окружающего газа, которым она могла бы питаться. Этот газ был унесен ветром горячих недавно образовавшихся звезд.
«Звездообразование - враг образования массивных черных дыр» в ранних галактиках, сказал Бромм. «Звезды производят обратную связь, которая сдувает окружающее газовое облако».
На протяжении десятилетий астрономы называли эту загадку «проблемой семени квазара».
В 2003 году Бромм и Лоэб выдвинули теоретическую идею заставить раннюю галактику сформировать сверхмассивную затравочную черную дыру, подавляя в противном случае непомерно высокие поступления энергии от звездообразования. Позднее астрономы назвали этот процесс «прямым коллапсом».
Начнем с «изначального облака водорода и гелия, пропитанного морем ультрафиолетового излучения», - сказал Бромм. «Вы сжимаете это облако в гравитационном поле гало темной материи. Обычно облако способно охлаждаться и фрагментироваться, образуя звезды. Однако ультрафиолетовые фотоны поддерживают температуру газа, тем самым подавляя любое звездообразование. Желаемые, почти чудесные условия: коллапс без фрагментации! По мере того, как газ становится все более и более плотным, в конечном итоге вы получаете условия для массивной черной дыры».
Этот набор космических условий чрезвычайно чувствителен к периоду времени в истории Вселенной - этот процесс не происходит сегодня в галактиках.
По словам Леба, «Квазары, наблюдаемые в ранней Вселенной, напоминают гигантских младенцев в родильной палате, полной нормальных младенцев. Остается задаться вопросом: что особенного в среде, в которой вынашивались эти гигантские младенцы? Как правило, это холодный газ. Резервуар в близлежащих галактиках, таких как Млечный Путь, расходуется в основном на звездообразование.
«Теория, которую мы предложили, когда Бромм был моим постдоком (в Гарварде), предполагала, что условия в галактиках первого поколения были другими», - сказал он. «Вместо того, чтобы создать множество обычных звезд, эти галактики сформировали единственную сверхмассивную звезду в своем центре, которая в конечном итоге превратилась в черную дыру-зародыш. Следовательно, газ в этих средах использовался для питания этой черной дыры-затравки, а не для создания множества нормальных звезд».
Бромм и Леб опубликовали свою теорию в 2003 году. «Но тогда все это было только теоретическим», - сказал Бромм.
Перенесемся на дюжину лет вперед, и Бромм теперь профессор Техасского университета в Остине, у него есть постдоки и аспиранты. Вот тут-то и появляется Аарон Смит.
Смит, Бромм и Леб заинтересовались галактикой под названием CR7, идентифицированной в ходе исследования космического телескопа Хаббл под названием COSMOS (в статье, которую вел Джоррит Матти из Лейденского университета). Хаббл обнаружил CR7 через 1 миллиард лет после Большого взрыва.
Дэвид Собрал из Лиссабонского университета провел последующие наблюдения за CR7 с помощью некоторых из крупнейших в мире наземных телескопов, включая Keck и VLT. Они обнаружили некоторые чрезвычайно необычные особенности в световой сигнатуре, исходящей от CR7. В частности, некая линия водорода в спектре, известная как «Лайман-альфа», оказалась в несколько раз ярче, чем ожидалось. Примечательно, что в спектре также была обнаружена необычно яркая линия гелия.
«Что бы ни приводило в действие этот источник, оно очень горячее - достаточно горячее, чтобы ионизировать гелий», - сказал Смит. Бромм согласился. «Вам нужно, чтобы температура была 100 000 градусов по Цельсию - очень жарко, очень жесткий источник ультрафиолета», - сказал он.
Эти и другие необычные особенности в спектре, такие как отсутствие каких-либо обнаруженных линий от элементов тяжелее гелия (на астрономическом языке «металлы») вместе с расстоянием до источника - и, следовательно, его космической эпохой - означали что это может быть либо скопление первичных звезд, либо сверхмассивная черная дыра, вероятно, образовавшаяся в результате прямого коллапса.
Смит провел симуляции для обоих сценариев, используя суперкомпьютер Stampede в Техасском передовом вычислительном центре UT Austin.
«Мы разработали новый код», - сказал Смит, пояснив, что его код моделировал систему иначе, чем в предыдущих симуляциях.
"Старые модели были похожи на снимок, а эта - на фильм", - объяснил он.
Тип моделирования, который использовал Смит, называется «радиационная гидродинамика», сказал Бромм. «Это самый дорогой подход с точки зрения вычислительной мощности компьютера».
Новый код, тем не менее, окупился. Сценарий звездного скопления «впечатляюще провалился», сказал Смит, в то время как модель прямого коллапса черной дыры показала хорошие результаты.
Бромм сказал, что их работа заключается не только в понимании внутреннего устройства одной ранней галактики.
"С CR7 у нас было одно интригующее наблюдение. Мы пытаемся объяснить его и предсказать, что обнаружат будущие наблюдения. Мы пытаемся обеспечить всеобъемлющую теоретическую основу."
В дополнение к работе Смита, Бромма и Леба НАСА недавно объявило об открытии двух дополнительных кандидатов в черные дыры прямого коллапса на основе наблюдений с рентгеновской обсерваторией Чандра.
Похоже, что астрономы "сходятся к этой модели" для решения проблемы начального квазара, сказал Смит.