Надзвукові потоки газу, що залишилися від Великого Вибуху, спричинили утворення надмасивних чорних дір

Надзвукові потоки газу могли спровокувати народження надмасивних чорних дір у ранньому Всесвіті. Це демонструє гідродинамічна модель, розроблена Шинго Хірано (Shingo Hirano) та його колегами з Техаського університету в Остіні.

Дослідження могло б пояснити, як величезні чорні діри змогли сформуватися, коли Всесвіту було менше одного мільярда років.

Щільність темної та звичайної матерії
Прогнозовані розподіли щільності темної матерії (фон та верхня панель) та газу (нижні три панелі) під час формування масивної зірки. Хмара надзвичайно асиметрична як широка клиноподібна структура (середня панель) за рахунок руху первинного надзвукового газу, що залишилися від Великого вибуху. Коло в правій панелі вказує на гравітаційно нестійку область з масою 26 000 сонячних мас. Credit: Shingo Hirano

Надмасивні чорні діри мають масу мільйонів та, навіть, мільярдів мас Сонця і ховаються в центрах великих галактик. Ці гіганти мали мільярди років щоб сформуватись. Але також відомо, що існують надмасивні чорні діри, які живлять квазари, і що вони сформувались менш ніж за мільярд років після Великого вибуху. Астрономи поки що не мають гідного пояснення, як ці величезні об’єкти могли сформуватися так швидко в ранньому Всесвіті.

Одна з провідних гіпотез полягає в тому, що величезні хмари газу колапсували під дією власної сили тяжіння, конденсуючись безпосередньо в чорну діру. Інша припускає, що надмасивні чорні діри утворились із залишків перших зірок. А потім поступово збільшували свою масу шляхом акреції речовини. Проте, в моделях, заснованих на цих теоріях, надмасивні чорні діри або не утворюються досить швидко, або їхнє утворення вимагає досить специфічних умов.

Хірано з колегами ідентифікували перспективний фізичний процес, який дозволяв надмасивним чорним дірам формуватись досить швидко. Ключовим моментом було включення ефекту руху надзвукового газу відносно темної матерії. Симуляція на суперкомп’ютері показала, – коли Всесвіту було 100 мільйонів років, утворилося величезне скупчення темної матерії. Надзвукові потоки газу, спричинені Великим вибухом, були захоплені темною матерією і утворили щільну турбулентну газову хмару. Всередині неї почала формуватися протозоря. А оскільки навколишній газ забезпечував більше, ніж вдосталь матеріалу для її живлення, зоря за короткий проміжок часу змогла сягнути надзвичайно великих розмірів, при цьому не випускаючи багато випромінювання (див. Межа Еддінгтона).

“Сягнувши маси у 34 000 мас Сонця, зоря колапсувала під власною силою тяжіння, залишаючи чорну діру середньої маси. Ці масивні чорні діри, що народилися в ранньому Всесвіті, продовжували зростати і об’єднуватися, щоб стати надмасивною чорною дірою.”

– розповідає Наокі Йошида (Naoki Yoshida) колега Шинго Хірано.

Народження таких чорних дір, напевно, можна буде спостерігати за допомогою детекторів гравітаційних хвиль наступного покоління.

“Наприклад, гравітаційні хвилі, викликані зіткненням та об’єднанням чорних дір середнього розміру, можна бути виявити за допомогою LISA“,

– каже Хірано, посилаючись на заплановану на 2034 рік місію Європейського космічного агентства з виявлення та точного вимірювання гравітаційних хвиль.

Характеристики цих гравітаційних хвиль, таким чином, зможуть підтвердити (або спростувати) модель утворення надмасивних чорних дір.

Science (2017), doi:10.1126/science.aaq0812


Ілля Дока
  • 17 записів
  • 0 дописів
Ілля приєднався до Science Ukraine у 2016 році. Має вищу освіту у прикладній фізиці. Здебільшого пише про космос, технології, фундаментальну та прикладну фізику.
Отримуй новини, що визначають майбутнє на свій Email:
Обирай Science Ukraine