Астрономы выяснили, откуда взялись сверхмассивные чёрные дыры

Скорость, с которой образовались сверхмассивные чёрные дыры, давно удивляет астрономов.

Скорость, с которой образовались сверхмассивные чёрные дыры, давно удивляет астрономов.
Иллюстрация NASA/JPL-Caltech.

Как сверхмассивные чёрные дыры успели образоваться, когда возраст Вселенной составлял менее 6% от нынешнего? Учёные предложили интригующий вариант ответа, который можно будет проверить уже в ближайшем будущем.

Подробности изложены в научной статье, опубликованной в издании Astrophysical Journal.

Быстрее, чем чужие дети

Как известно, в центре большинства галактик есть чёрные дыры массой в миллионы или миллиарды солнц. По мере того как телескопы становятся всё мощнее, подобные объекты открываются на всё более впечатляющих дистанциях.

И эти успехи наблюдателей становятся настоящей головной болью для теоретиков. Ведь, вглядываясь в космические дали, мы смотрим в прошлое. Астрономический объект мы видим таким, каким он был, когда испустил излучение, сегодня дошедшее до Земли. А для самых далёких известных галактик эти лучи путешествовали в космосе почти 13 миллиардов лет из 13,8 миллиарда лет, прошедших с момента Большого взрыва.

Получается, что сверхмассивные чёрные дыры уже существовали, когда Вселенной было всего 800 миллионов лет отроду. Этот срок невелик не только в астрономических, но даже в геологических масштабах. Например, жизни на Земле не менее 3,8 миллиарда лет.

Когда же сверхмассивные чёрные дыры успели образоваться? Это очень трудный вопрос.

Классическая теория предполагает, что подобный монстр формируется из газа, постепенно сгущающегося под действием собственной гравитации. Пока масса центрального комка невелика (по астрономическим меркам), его тяготение тоже не слишком впечатляет, и процесс идёт медленно. Но чем больше вещества скапливается в новорождённом объекте, тем сильнее его гравитация и тем интенсивнее он собирает новую материю. Другими словами, будущая чёрная дыра растёт как снежный ком: чем больше массы она уже набрала, тем быстрее набирает дополнительную. Останавливается это пиршество, только когда истощаются запасы окрестного газа.

Проблемой для теории становится начальный этап, когда небесное тело растёт довольно медленно. Именно эта неторопливость никак не укладывается в жёсткие сроки, заявленные наблюдателями.

Возможно ли, что образование чёрной дыры может каким-то образом обойтись без долгого старта? Разумеется. Но в этом случае её зародышем должно стать не разреженное облако газа, а плотный и компактный объект. Тогда гравитация с самого начала будет мощной, и сбор "урожая" окрестного вещества сильно ускорится.

Авторы нового исследования считают, что такими зародышами вполне могут стать чёрные дыры звёздной массы и нейтронные звёзды.

Кладбище солнц

Дело в том, что в молодой Вселенной массово образовывались очень большие звёзды (примерно от ста до тысячи солнечных масс). Такие светила могли прожить не больше нескольких миллионов лет. Да и в следующих поколениях появлялись звёзды массой в десятки солнц (они рождаются и сейчас) с временем жизни в миллионы и десятки миллионов лет.

Как известно, существование светила массой более 30 солнечных завершается превращением в чёрную дыру, а от 10 до 30 солнц – в нейтронную звезду. Эти тела остаются на орбитах вокруг центра галактики, которые когда-то занимали их родительские звёзды.

Но исследователи рассчитали, что молодой галактике эти погибшие светила должны достаточно быстро мигрировать к её центру. Дело здесь в гравитации окружающего газа, который заставляет объекты терять энергию и переходить на более узкие орбиты. Приближаясь к центру звёздной системы, они встречают ещё больше газа, и процесс повторяется.

В конце концов множество чёрных дыр и нейтронных звёзд должно оказаться в самом сердце галактики и слиться там во взаимных объятиях под действием собственной гравитации. Такое тело и будет зародышем для быстрого роста сверхмассивной чёрной дыры.

Астрономы вычислили, что всего за 50–100 миллионов лет может образоваться монстр массой от десяти тысяч до ста тысяч солнц. Подобное тело обладает колоссальным тяготением, и оно будет быстро расти по тем же причинам, что и в классической теории. Этот сценарий вполне согласуется с возрастом древнейших сверхмассивных чёрных дыр.

Наблюдай и проверяй

Однако всё это – модель, удачно объясняющая уже известные наблюдения. От научной теории требуется нечто большее. Она должна успешно спрогнозировать новые факты, неизвестные на момент её построения. И, если прогноз оправдается, можно будет говорить, что теория подтверждена.

(Проще говоря, модель должна не только объяснять, почему все ранее брошенные камни упали именно так. Она должна успешно предсказать, как упадёт камень, который ещё не брошен, и тогда её признают работающей).

Новая теория удовлетворяет и этому требованию. Если она верна, то Вселенная должна быть наполнена гравитационными волнами от чёрных дыр и нейтронных звёзд, врезающихся в центральный объект и сливающихся с ним.

На начальных этапах, пока он ещё невелик, это должны быть высокочастотные волны. Их могут зафиксировать даже действующие детекторы LIGO и VIRGO после предстоящей им модернизации.

По мере роста будущей сверхмассивной чёрной дыры волны от новых столкновений должны уменьшить частоту и выйти за пределы, доступные действующим инструментам. Но проектируемые детекторы LISA и ET охватят и этот диапазон.

Таким образом, данные гравитационных телескопов в обозримом будущем должны дать ответ, верна ли новая теория. И если она подтвердится, у Вселенной станет на одну загадку меньше.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о том, как сверхмассивные чёрные дыры провоцируют "братьев своих меньших" на столкновения.