Свет, испускаемый вокруг первых массивных черных дыр во Вселенной, настолько интенсивен, что способен достичь телескопов на всем пространстве Вселенной. Невероятно, но свет от самых далеких черных дыр (или квазаров) шел к нам более 13 миллиардов световых лет. Однако мы не знаем, как образовались эти монструозные черные дыры.
Новое исследование, проведенное исследователями из Технологического института Джорджии, Дублинского городского университета, Мичиганского государственного университета, Калифорнийского университета в Сан-Диего, Суперкомпьютерного центра Сан-Диего и IBM, открывает новый и чрезвычайно многообещающий путь для решения этой проблемы. космическая загадка. Команда показала, что когда галактики собираются чрезвычайно быстро, а иногда и бурно, это может привести к образованию очень массивных черных дыр. В этих редких галактиках нарушается нормальное звездообразование и начинается формирование черных дыр.
Новое исследование показывает, что массивные черные дыры образуются в плотных беззвездных областях, которые быстро растут, переворачивая с ног на голову давно принятое мнение о том, что образование массивных черных дыр ограничивалось областями, бомбардируемыми мощным излучением близлежащих галактик. Выводы исследования, опубликованные 23 января в журнале Nature и поддержанные Национальным научным фондом, Европейским Союзом и НАСА, также показывают, что массивные черные дыры встречаются во Вселенной гораздо чаще, чем считалось ранее.
Ключевой критерий для определения того, где массивные черные дыры образовались в младенчестве Вселенной, связан с быстрым ростом догалактических газовых облаков, которые являются предшественниками всех современных галактик, а это означает, что большинство сверхмассивных черных дыр имеют общую По словам Джона Уайза, адъюнкт-профессора Центра релятивистской астрофизики в Технологическом институте Джорджии и соавтора статьи, формируется происхождение в этом недавно открытом сценарии. Темная материя коллапсирует в ореолы, которые являются гравитационным клеем для всех галактик. Ранний быстрый рост этих ореолов предотвратил образование звезд, которые могли бы конкурировать с черными дырами за газообразную материю, поступающую в эту область.
«В этом исследовании мы обнаружили совершенно новый механизм, который вызывает образование массивных черных дыр в определенных ореолах темной материи», - сказал Уайз. «Вместо того, чтобы просто рассматривать радиацию, нам нужно посмотреть, как быстро растут гало. Нам не нужно так много физики, чтобы понять это - просто как распределяется темная материя и как гравитация влияет на это. Для формирования массивной черной дыры требуется находясь в редкой области с интенсивным сближением материи."
Когда исследовательская группа обнаружила эти места образования черных дыр в моделировании, они сначала были в тупике, сказал Джон Риган, научный сотрудник Центра астрофизики и теории относительности Дублинского городского университета. Ранее принятая парадигма заключалась в том, что массивные черные дыры могли образовываться только при воздействии высоких уровней близкого излучения.
«Предыдущие теории предполагали, что это должно происходить только тогда, когда места подвергались воздействию высоких уровней радиации, убивающей звездообразование», - сказал он. «По мере того, как мы углублялись, мы видели, что эти участки переживают период чрезвычайно быстрого роста. Это было ключом. Жестокий и турбулентный характер быстрой сборки, сильное столкновение основ галактики во время рождения галактики помешало нормальной звезде вместо этого привело к созданию идеальных условий для образования черных дыр. Это исследование меняет предыдущую парадигму и открывает совершенно новую область исследований».
Предыдущая теория основывалась на интенсивном ультрафиолетовом излучении соседней галактики, препятствующем образованию звезд в гало, формирующем черную дыру, сказал Майкл Норман, директор Суперкомпьютерного центра Сан-Диего в Калифорнийском университете в Сан-Диего и один из авторы произведения. «Хотя ультрафиолетовое излучение все еще является фактором, наша работа показала, что оно не является доминирующим фактором, по крайней мере, в наших симуляциях», - пояснил он.
Исследование было основано на пакете Renaissance Simulation, наборе данных объемом 70 терабайт, созданном на суперкомпьютере Blue Waters в период с 2011 по 2014 год, чтобы помочь ученым понять, как Вселенная развивалась в первые годы ее существования. Чтобы узнать больше о конкретных областях, где могли образоваться массивные черные дыры, исследователи изучили данные моделирования и обнаружили десять конкретных ореолов темной материи, которые должны были образовать звезды, учитывая их массы, но содержали только плотное газовое облако. Затем с помощью суперкомпьютера Stampede2 они повторно смоделировали два из этих ореолов - каждый размером около 2400 световых лет в поперечнике - с гораздо более высоким разрешением, чтобы понять детали того, что происходило в них через 270 миллионов лет после Большого взрыва.
«Только в этих чрезмерно плотных регионах Вселенной мы видели, как формируются эти черные дыры», - сказал Уайз. «Темная материя создает большую часть гравитации, а затем газ попадает в этот гравитационный потенциал, где он может образовывать звезды или массивную черную дыру."
Моделирование эпохи Возрождения - это наиболее полное моделирование самых ранних стадий гравитационной сборки первозданного газа, состоящего из водорода, гелия и холодной темной материи, что привело к образованию первых звезд и галактик. Они используют технику, известную как адаптивное уточнение сетки, для увеличения плотных сгустков, образующих звезды или черные дыры. Кроме того, они охватывают достаточно большую область ранней Вселенной, чтобы образовать тысячи объектов - требование, если кто-то интересуется редкими объектами, как в данном случае. «Для достижения этого результата потребовалось высокое разрешение, богатая физика и большая выборка коллапсирующих ореолов», - сказал Норман.
Улучшенное разрешение моделирования, выполненного для двух областей-кандидатов, позволило ученым увидеть турбулентность, приток газа и образование сгустков материи, когда предшественники черной дыры начали конденсироваться и вращаться. Их темпы роста были впечатляющими.
«Астрономы наблюдают за сверхмассивными черными дырами, которые выросли до миллиарда масс Солнца за 800 миллионов лет», - сказал Уайз.«Для этого требовалось интенсивное сближение масс в этой области. Можно было бы ожидать, что в областях, где галактики формировались в очень ранние времена».
Другой аспект исследования заключается в том, что ореолы, порождающие черные дыры, могут быть более распространенными, чем считалось ранее.
«Важным компонентом этой работы является открытие того, что эти типы ореолов, хотя и редкие, могут быть достаточно распространены», - сказал Брайан О'Ши, профессор Мичиганского государственного университета. «Мы предсказываем, что этого сценария будет достаточно, чтобы стать источником самых массивных черных дыр, которые наблюдаются как в начале Вселенной, так и в галактиках в наши дни».
Будущая работа с этими симуляциями будет посвящена жизненному циклу этих галактик с образованием массивных черных дыр, изучению формирования, роста и эволюции первых массивных черных дыр во времени. «Наша следующая цель - исследовать дальнейшую эволюцию этих экзотических объектов. Где эти черные дыры сегодня? Можем ли мы обнаружить свидетельства их существования в локальной вселенной или с помощью гравитационных волн?» - спросила Риган.
Чтобы получить эти новые ответы, исследовательская группа - и другие - могут вернуться к моделированию.
«Моделирование эпохи Возрождения достаточно богато, чтобы другие открытия могли быть сделаны с использованием уже вычисленных данных», - сказал Норман. «По этой причине мы создали общедоступный архив в SDSC, который называется «Лаборатория моделирования эпохи Возрождения», где другие могут решать свои собственные вопросы».