1 New Concepts in Science*
На протяжении долгого времени эти крупные, самые древние и сверхмассивные черные дыры оставались для астрономов загадкой. И вот, наконец-то, выяснилось, как они формируются.
• Согласно теории Большого взрыва, Вселенная возникла около 13,8 миллиардов лет назад. Она была горячая, плотная и быстро расширялась; ее плотность была распределена равномерно, правда, и здесь попадались небольшие области неоднородности.
• И всё же оказалось, что на протяжении первых нескольких миллиардов лет эволюции Вселенной существовали сотни черных дыр, масса которых составляла сотни миллионов или даже миллиардов солнечных масс.
• Астрономы долго не могли понять, почему такие черные дыры появились на столь раннем этапе истории Вселенной, и по какой причине они быстро стали сверхмассивными? И вот в результате многолетних исследований нам, наконец, удалось раскрыть эту тайну.
Как вы думаете, что бы мы увидели, если бы заглянули в прошлое и посмотрели на жителей Земли, когда им было, скажем, по пять лет? Мы бы увидели людей разного роста и веса, у всех был бы разный размер ноги и т. п. Однако, несмотря на это разнообразие внешних индивидуальных особенностей, мы бы не сомневались в одном: все эти люди должны выглядеть как пятилетние дети – ни больше, ни меньше. И мы бы страшно удивились, если бы вдруг среди них появился человек, который бы выглядел как подросток или юноша, или же вообще как человек среднего возраста. В этом случае мы бы невольно воскликнули: а действительно ли то, что мы видим, является реальностью?
Однако именно такая ситуация возникает, когда мы исследуем самые ранние, ярчайшие и активнейшие галактики, в которых прячутся черные дыры. Согласно теории, должны выполняться следующие ограничения:
-
1по самым ранним срокам появления первых звезд (и, следовательно, первых черных дыр);
-
2по максимальным размерам "зачаточной" черной дыры, которая может получиться из этих первых звезд;
-
3по скорости увеличения массы этих первых черных дыр.
И все же мы находим свидетельства того, что даже в первые несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва каким-то образом появились сверхмассивные черные дыры, значительно превышающие вышеупомянутые ограничения. И вот недавно команда ученых опубликовала в журнале Nature статью, в которой заявила, что нашла объяснение этому явлению; добавим, что на поиски решения ушло 19 лет. Сейчас мы расскажем, как Вселенной удалось породить такие черные дыры.
Во-первых, необходимо иметь в виду, что вскоре после Большого взрыва Вселенная была почти идеально однородной. Если вокруг любой области пространства описать сферу произвольного радиуса, то в итоге она будет обладать какой-то вполне определенной массой. Затем, если взять тысячу сфер того же размера в других местах космического пространства, обнаружится, что:
-
—приблизительно 683 областей попадают в интервал от 99,997% до 100,003%;
-
—приблизительно 954 областей попадают в интервал от 99,994% до 100,006%;
-
—приблизительно 997 областей попадают в интервал от 99,991% до 100,009%;
-
—все 1000 областей попадают в интервал от 99,988% до 100,012%.
Другими словами, вскоре после Большого взрыва даже в самых плотных областях пространства масса в незначительной степени превосходила среднюю величину.
В итоге, учитывая физику процессов эволюции материи и излучения в ранней Вселенной, мы можем подсчитать, сколько времени понадобится для того, чтобы даже самые плотные области Вселенной смогли аккумулировать достаточно материи для образования первых коллапсирующих объектов, в том числе звезд и черных дыр. И хотя подсчеты наши, конечно, приблизительны, всё равно следует согласиться с тем, что на формирование самых первых звезд уйдут десятки миллионов лет, а первая мощная волна появления звезд началась не ранее 100-200 миллионов лет после Большого взрыва.
После того, как сформировались первые звезды, самые массивные из них могли существовать в течение совсем короткого времени – не более двух миллионов лет. После этого ядро звезды коллапсировало и в результате появлялась черная дыра. Поскольку масса самой тяжелой из известных науке на сегодняшний день звезд (а это R136a1, расположенная в туманности "Тарантул" Большого Магелланового Облака) примерно в 260 раз больше массы Солнца, вполне логично предположить, что первые черные дыры также имели массу в несколько больше сотен солнечных.
Таким образом, необходимо получить ответы на следующие фундаментальные вопросы: каковы самые ранние сроки формирования первичных черных дыр? Насколько быстро они могут расти и набирать массу в процессе эволюции Вселенной?
Вполне вероятно, что они сформировались всего через 100 миллионов лет после Большого взрыва. Что касается скорости их роста, то как утверждает физика, существует предел скорости роста тела за счет поглощения окружающей ее материи – это "предел Эддингтона". Благодаря этому можно предсказать, насколько массивной будет черная дыра в течение заданного промежутка времени. Нам остается только измерить массы сверхмассивных черных дыр, от которых подпитываются самые древние и мощные квазары, и выяснить, согласуются ли наши наблюдения с предсказанием.
Вот здесь-то и возникает загадка: мы нашли квазары со сверхтяжелыми черными дырами (их масса находится в диапазоне от 500 миллионов до чуть более одного миллиарда солнечных масс); они появились в те времена, когда возраст Вселенной составлял всего около 700 миллионов лет, то есть всего 5% от ее нынешнего возраста. Но, если обратиться к примененной выше метафоре с детьми, то мы видим, что не все дети выглядят как пятилетние – у некоторых их них рост как у взрослых баскетболистов. Одним словом, их развитие вообще не соответствует их возрасту.
Другими словами, мы сталкиваемся с парадоксальной ситуацией: самые первые сверхмассивные черные дыры оказались более крупными, чем мы ожидали. Это идет вразрез с нашим представлением о Вселенной и законах, которыми она управляется.
К настоящему времени появилось множество гипотез, объясняющих это явление. Их можно разделить на три категории.
-
1Возможно, первоначальный размер и время появления мы определили правильно, но со скоростью роста ошиблись; получается, что черные дыры растут быстрее, чем мы предполагали.
-
2Возможно, мы ошиблись с первоначальным размером, и появление более крупных "зародышей" черных дыр вполне возможно в ходе структурного формирования Вселенной или же благодаря гораздо большей начальной массе самых тяжелых звезд.
-
3Возможно, наши представления расходятся с действительностью, и Вселенная появилась вместе с черными дырами ("первичные черные дыры"), которые образовались до возникновения первых звезд.
Что касается первого пункта: согласимся, что благодаря несферической аккреции (Аккреция – падение вещества на космическое тело (например, звезду) из окружающего пространства под действием сил тяготения. – Прим. перев.) черные дыры будут расти быстрее, чем позволяет предел Эддингтона. Однако подобная аккреция не может сохраняться на протяжении длительных периодов времени. Даже если мы допустим кратковременное увеличение роста, все равно трудно объяснить причины, по которым столь большое количество сверхтяжелых черных дыр (а к настоящему времени самых древних черных дыр открыто около 200) столь долго пребывали в столь редких и нестационарных условиях.
Теперь о третьем пункте. Для того, чтобы объяснить всплеск на определенном участке спектра масс, нам пришлось бы допустить существование какой-то новой физики – перспектива не очень-то привлекает. Чтобы возникла первичная черная дыра, необходимо, чтобы на ее месте на ранних стадиях расширения Вселенной появилась область пространства, плотность которой превышала 168% от среднего значения, характерного для Вселенной. Но давайте вспомним: мы уже говорили, что почти 100% областей космоса попадают в интервал средней плотности от 99,988% до 100,012%. Чтобы данный сценарий воплотился, нужно придумать какой-нибудь новый способ, позволяющий получить сверхбольшие флуктуации в очень маленьком по космическим меркам масштабе, на вполне конкретном участке пространства. В противном случае реализация данного сценария невозможна.
Однако все же есть надежда, что эта загадка (скорее, мнимая) может быть разгадана с помощью самой обыкновенной астрофизики. Правда, здесь не поможет первичная черная дыра массой в несколько сотен солнечных, возникшая примерно через 100 миллионов лет после Большого взрыва. Однако, если бы в ту древнюю эпоху появилась первичная черная дыра в 100 раз тяжелее Солнца, то мы бы нашли решение. Вот уж поистине, если бы через 100 миллионов лет после Большого взрыва во Вселенной появилась первичная черная дыра массой в несколько десятков тысяч солнечных масс, то проблема была бы решена.
И такая ситуация возможна. Об этом нам как бы намекает состав Вселенной, который она имела до появления первых звезд. Как известно, в наше время звезды образуются в результате коллапса газовых облаков, состоящих в основном из водорода и гелия, но приправленных небольшим количеством более тяжелых элементов: кислорода, углерода, азота, неона, кремния, серы, а также кальция, магния, железа. В основном именно тяжелые элементы позволяют этим газовым облакам охлаждаться и коллапсировать, в результате чего образуются звезды с массой 40% от массы Солнца. Конечно, могут появиться несколько очень крупных звезд массой в 50, 100 и даже 200 солнечных масс и более, но лишь очень малая часть из них будет достаточно тяжелой, чтобы превратиться в сверхновую или черную дыру.
Однако на ранних стадиях развития Вселенной формирование звезд должно было происходить по-иному. Если тяжелые элементы отсутствуют, то газовые облака, подверженные гравитационному сжатию, могут охлаждаться за счет рассеивания тепла с помощью молекулярного водорода. Из-за столь неэффективного способа охлаждения молекулярные облака должны быть гораздо более массивными, чтобы в итоге схлопнуться. В результате этого процесса должны появиться звезды со средней массой в 25 раз больше сегодняшних.
На очень ранних стадиях, возможно, зачастую появлялись звезды массой в несколько сотен или даже нескольких тысяч солнечных. Они могли даже не превращаться сверхновые; вполне вероятно, что 100% таких звезд сразу же коллапсировали, порождая черные дыры.
Если учесть, что:
-
—мы наблюдали прямое коллапсирование звезд;
-
—в местах локализации самых массивных звезд мы наблюдаем большое количество звезд сходных с ними по массе;
-
—первые звезды образовались из ультрамассивных молекулярных облаков, в которых (вероятно) появлялось множество звезд с массой около 1000 солнечных масс;
то логично предположить, что, вполне возможно, в тех условиях могло сформироваться множество первичных черных дыр, которые затем сливались, образуя сверхмассивные черные дыры.
Но даже в такой ситуации, которая отчасти приближает нас к нужному результату, возникает вопрос: при каких условиях эти первичные черные дыры начнут достаточно быстро сливаться без гравитационных взаимодействий, приводя либо к выбросу материи, либо к взаимовлиянию, расчищая центр галактики от материала, который необходим для возникновения аккреции?
Но здесь должно быть кое-что еще, что позволило бы нам выйти из чисто гипотетической сферы и встать на твердую почву физики и астрофизики. Именно здесь появляется новое исследование, проведенное под руководством Дэниела Уэйлена (Daniel Whalen) из Портсмутского университета.
Ученые предложили модель, которая показывает, как формировалась структура ранней Вселенной, в том числе темная материя, скопления звезд ранних спектральных классов и потоки неионизированного газа (то есть обычная материя). Было показано, каким образом протогалактики и звездные скопления сливаются воедино, а вместе с тем зарождаются галактические нити, образующие космическую сеть. Специалисты по космологии научились определять, в каких областях Вселенной должны локализоваться крупные сгустки материи. Несколько лет назад с помощью данной модели ученые установили, что холодные ультрамассивные потоки газа должны сталкиваться в точках пересечения этой протокосмической сети, причем газ обладает высокой плотностью в небольших объемах и массой до 100 тысяч солнечных.
Однако подобные области – очень редкое явление; с их помощью не объяснить появление около 200 и более массивных квазаров, обнаруженных нами. Они появились, когда возраст Вселенной составлял около 5% от нынешнего. Вот тут-то и приходит на помощь новая модель, разработанная в Портсмутском университете. Ученые продемонстрировали, что в местах пересечения сильных холодных аккреционных потоков возникает внезапный коллапс плотных облаков обычной материи, в результате чего возникают короткоживущие звезды или же сразу появляются черные дыры, масса которых варьируется от 30 тысяч до 40 тысяч солнечных.
Предложенная модель показала, что для возникновения этого явления каких-то особых механизмов не требуется. Если в предыдущих исследованиях учитывалось ультрафиолетовое фоновое излучение, сверхзвуковое движение, атомное и молекулярное охлаждение, то в новом исследовании было установлено, что потоки холодного газа порождают большую турбулентность, из-за чего звезды могут формироваться лишь при условии достижения ими критической массы. Однако после того, как данное пороговое значение массы будет преодолено, плотная область внезапно коллапсирует. В результате могут возникать отдельные объекты (звезды или черные дыры) массой до 40 тысяч солнечных масс. Ученым впервые удалось с помощью обычной физики показать, что первичные черные дыры необходимой массы могут появиться через 100 с небольшим миллионов лет после Большого взрыва.
28.08.2021
И эти теоретические выводы появились как нельзя кстати – скоро начинает работать космические телескоп "Джеймс Уэбб". Он будет изучать самые ранние черные дыры в окружающей их галактической среде – это способность телескопа беспрецедентна. Полученные результаты помогут объяснить формирование и рост этих космических объектов. При использовании нового подхода получается следующая картина: потоки холодного газа сталкиваются, образуя звезды гигантских, чудовищных размеров, в результате чего могут появляться черные дыры с массой до нескольких десятков тысяч солнечных масс. Вскоре этот сценарий будет проверен в процессе окончательных испытаний. Вот что пишет сам Дэниел Уэйлен: "Единственные первичные облака, способные образовать квазар сразу же после наступления космического рассвета (то есть в те времена, когда во Вселенной только-только сформировались первые звезды), также породили собственные массивные объекты – первичные черные дыры. Этот простой и красивый вывод объясняет не только происхождение первых квазаров, но и статистические данные по этим объектам, а именно – их численность в молодой Вселенной. Первые сверхмассивные черные дыры были естественным следствием образования структур в ходе космологического процесса формирования холодной темной материи – детищем космической сети".
Почти два десятилетия астрономы ломали голову над тем, каким образом эти сверхмассивные черные дыры, обнаруженные в самых далеких квазарах, так быстро смогли достичь столь больших размеров. Новое исследование, предложенное учеными, выдвигает убедительные аргументы в пользу нового – газового – подхода, не требующего какой-то новой физики. В ближайшие несколько лет – а, возможно, даже в ближайшие несколько месяцев, – мы сможем точно узнать о том, каким образом формировались самые массивные древние объекты Вселенной.