Эти гиганты бросают вызов ожиданиям относительно того, как быстро питаются черные дыры
Существование сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной никогда не имело особого смысла для астрономов. Наблюдения с 2006 года показали, что гигантские монстры с массой не менее миллиарда солнц уже существовали, когда Вселенной было меньше миллиарда лет - слишком рано, чтобы они могли сформироваться обычными способами.
Один или два из этих старых массивных объектов можно счесть необычными, говорит астрофизик-теоретик Приямвада Натараджан из Йельского университета. Но на сегодняшний день астрономы обнаружили более 100 сверхмассивных черных дыр, существовавших до того, как Вселенной исполнилось 950 миллионов лет. «Сейчас их слишком много, чтобы быть уродами», - говорит она. «У вас должно быть естественное объяснение тому, как все это произошло».
Обычные гипотезы состоят в том, что эти черные дыры либо родились неожиданно большими, либо быстро выросли. Но недавние находки бросают вызов даже этим теориям и могут заставить астрономов переосмыслить, как растут эти черные дыры.
В современной Вселенной черные дыры обычно образуются из массивных звезд, которые коллапсируют под действием собственной гравитации в конце своей жизни. Обычно они вначале имеют массу менее 100 масс Солнца и могут расти либо путем слияния с другой черной дырой (SN: 19.03.16, стр. 10), либо за счет аккреции газа из окружающей среды (SN Online: 6.12.17).
Этот газ часто организуется в виде диска, который закручивается в черную дыру, трение нагревает диск до раскаленных добела температур, которые создают яркое свечение, видимое на расстоянии миллиардов световых лет. Эти черные дыры, питающиеся газом, называются квазарами. Чем быстрее ест квазар, тем ярче светится его диск.
Но свечение этого газа также ограничивает рост черной дыры: фотоны яркого диска отталкивают свежий материал. Это устанавливает физический предел скорости роста черных дыр данной массы. Астрономы выражают скорость поедания черной дыры с помощью термина, называемого коэффициентом Эддингтона, который измеряет фактическую яркость черной дыры по отношению к яркости, которую она имела бы, если бы пожирала так быстро, как только могла.
Привередливые кормушки
Астрономы измерили коэффициент Эддингтона только для 20 сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной. Большинство из них, кажется, едят на пределе, в отличие от квазаров в современной Вселенной, которые питаются примерно в десять раз быстрее. Эти бешеные скорости питания все еще, кажется, бросают вызов сверхмассивным размерам черных дыр: черной дыре массой в 100 солнечных, аккрецирующейся на пределе, потребуется около 800 миллионов лет, чтобы достичь миллиарда солнечных масс, даже принимая во внимание, что она будет поглощать быстрее, чем он вырос. И эти 800 миллионов лет не включают время, которое потребовалось для формирования первоначального семени черной дыры.
Но физик Менгшин Им из Сеульского национального университета в Южной Корее и его коллеги обеспокоены тем, что в предыдущих наблюдениях не учитывались более разборчивые едоки, потому что те, кто ест быстро, ярче и их легче обнаружить. Если какие-то ранние массивные черные дыры были ленивыми едоками, их суперразмеры становятся еще более загадочными и могут исключить некоторые теории о том, как они росли.
Таким образом, команда намеренно искала более тусклые далекие квазары в ходе наблюдений в сентябре 2015 года в обсерватории Лас-Кампанас в Чили.
Исследователи обнаружили IMS J2204+0112, черную дыру массой в миллиард солнечных, съедающую десятую часть своего предела скорости и родом из того времени, когда Вселенной было около 940 миллионов лет. Но при такой скорости питания черная дыра не должна была полностью созреть, пока Вселенной не исполнится 8 миллиардов лет, сообщила команда на arXiv.org 9 февраля.
«Мы впервые показываем, что квазары с низким коэффициентом Эддингтона существуют в ранней Вселенной», - говорит Им.
IMS J2204+0112 - самый тусклый из обнаруженных квазар с медленным питанием, но он не одинок. Физик Кьяра Маццучелли из Астрономического института Макса Планка в Германии и ее коллеги сообщили об 11 вычурных сверхмассивных черных дырах, которые существовали, когда Вселенной было меньше 800 миллионов лет, в Astrophysical Journal в ноябре прошлого года.
В среднем эти квазары весят около 1,62 миллиарда солнечных масс, но потребляют примерно 40 процентов от предельной скорости, сообщила команда. Как ни странно, самая большая черная дыра в этой группе, HSC J1205-0000, имела самую низкую скорость питания: черная дыра имеет массу 4,7 миллиарда масс Солнца, но съедает всего 6 процентов от своего предела.
Было довольно странно обнаружить сверхмассивные черные дыры с ненасытным аппетитом в ранней Вселенной, но объяснить этих привередливых едоков еще труднее.
Астрономы надеются, что если заглянуть в прошлое, это поможет найти «зачатки» черных дыр, которые могут вырасти в гигантов. Если бы некоторые черные дыры изначально были огромными, от 10 000 до миллиона солнечных масс, они могли бы стать еще больше, либо сливаясь друг с другом, либо аккрецируя на пределе Эддингтона..
«Если вы начнете с такого массивного начального числа, у вас будет толчок», - говорит астрофизик Ави Лоэб из Гарвардского университета. «Тогда вам не нужно столько времени, чтобы вырасти до миллиарда солнечных масс».
Но теоретики уже 15 лет пытаются выяснить, как вообще могли образоваться такие огромные черные дыры. Одна из версий состоит в том, что массивные газовые облака или сверхмассивные звезды коллапсировали прямо в массивную черную дыру.
Сверхмассивные семена
Недавняя работа предполагает, что это будет не так просто. Теоретические исследования показывают, что трудно предотвратить фрагментацию этих газовых облаков в скопление маленьких звезд, а не в одну большую звезду, говорит физик Доминик Шлейхер из Университета Консепсьона в Чили.
В Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества за май 2018 года Шлейхер и его коллеги показывают, что такие скопления также могут создавать массивные зародыши черных дыр, поскольку вновь образованные звезды аккрецируют газ, оставшийся в скоплении. Такие звезды могут увеличиваться до размеров, в 100-1000 раз превышающих радиус Солнца. Их завышенные размеры и непосредственная близость друг к другу заставят эти звезды столкнуться, вызвав эффект домино, который в конечном итоге соберет все звезды в скоплении в одну сверхмассивную звезду, масса которой в 10 000 раз больше солнечной. Затем эта сверхмассивная звезда может коллапсировать, образуя относительно массивную черную дыру-зародыш.
Другая возможность состоит в том, что ранние сверхмассивные черные дыры просто нарушили предел Эддингтона. Возможно, они проходили через периоды приема пищи быстрее, чем считалось возможным, и вырастали почти до сверхмассивных размеров, прежде чем успокоились.
Леб указывает, что в современной Вселенной бывают ситуации, когда черные дыры поглощают быстрее, чем предел Эддингтона, например, когда они разрывают и пожирают звезду (СН: 01.04.17, стр. 5). Бывают также ситуации, когда излучение может задерживаться вблизи поверхности черной дыры, не давая ему отталкивать материал. «В таком случае вы можете кормить черную дыру сколь угодно быстро», - говорит Леб.
Или, как предполагают Натараджан и его коллеги, ответ может быть и тем, и другим: черные дыры, которые рождаются большими, становятся больше быстрее. «Медленно накапливаются доказательства того, что нам нужно рассмотреть более одного пути», - говорит Натараджан.
В исследовании, опубликованном в журнале Astrophysical Journal Letters в декабре 2017 года, она и ее коллеги провели компьютерное моделирование, показывающее, что некоторые условия могут ускорить рост черной дыры, позволяя черной дыре потреблять непрерывный поток газа.
Богатые становятся еще богаче
Моделирование показывает, что маленькое семя черной дыры никогда не вырастет достаточно быстро, чтобы стать сверхмассивным, прежде чем Вселенной исполнится миллиард лет. Но черная дыра, которая родилась большой, будет расти все быстрее и быстрее.
Тем не менее, только черные дыры, рожденные с массой, по крайней мере, в 10 000 раз превышающей массу Солнца, могут вырасти до миллиарда солнечных масс за миллиард лет. Но самые массивные семена, скорее всего, родятся в среде, богатой газом.
«Окружающая среда и условия рождения этих черных дыр на самом деле ставят их на путь либо быстрого всплеска роста, либо довольно медленного роста», - говорит Натараджан. «Семена массивных черных дыр - это те, которые выиграли в лотерею рождений и получили лучший старт в жизни».
В конечном счете, астрономам нужно будет заглянуть еще дальше во времени, если они надеются найти сверхмассивные семена. Космический телескоп Джеймса Уэбба, который должен быть запущен в 2019 году, должен быть в состоянии обнаруживать квазары и звезды через 400 или 500 миллионов лет после Большого взрыва. А будущая обсерватория гравитационных волн под названием LISA будет стремиться обнаруживать сверхмассивные черные дыры в космической истории.
«Единственный способ различать эти модели - вернуться в прошлое», - говорит Натараджан.