Що живило ранні чорні діри, що сприяло їх дуже швидкому зростанню? Нове відкриття, яке зробили дослідники з університету Карнегі Меллон, використовуючи поєднання суперкомп'ютерних моделювань та технології GigaPan Time Machine, показує, що дієта космічного «швидкого харчування» (тонкі потоки холодного газу) безконтрольно надходила в центр перших чорних дір, викликаючи вони повинні бути «надмірними» і зростати швидше, ніж будь-що інше у Всесвіті.
Коли наш Всесвіт був молодим, менше ніж через мільярд років після Великого вибуху, галактики тільки починали формуватися і рости. Згідно з попередніми теоріями, чорні діри в той час мали бути однаково малі. Дані з опитування цифрового неба Sloan свідчать про протилежне - надмасивні чорні діри існували ще в 700 мільйонів років після Великого вибуху.
«У дослідженні цифрового неба Sloan виявлено надмасивні чорні діри менше ніж на 1 мільярд років. Вони були такого ж розміру, як найбільш масивні чорні діри сьогодні, яким 13,6 мільярдів років », - сказала Тізіана Ді Маттео, доцент фізики (Університет Карнегі Меллон). «Це була загадка. Чому деякі чорні діри утворюються так рано, коли потрібно цілий вік Всесвіту, щоб інші досягли такої ж маси? "
Надмасивні чорні діри - це найбільші наявні чорні діри - маса яких у мільярди разів перевищує показники Сонця. Більшість «нормальних» чорних дір лише у 30 разів масивніші, ніж Сонце. В даний час прийнятий механізм утворення надмасивних чорних дір відбувається через галактичні злиття. Одна з проблем цієї теорії та того, як вона застосовується до ранніх надмасивних чорних дір, полягає в тому, що в ранньому Всесвіті не було багато галактик, і вони були занадто віддалені одна від одної для злиття.
Руперт Крофт, доцент фізики (Університет Карнегі Меллон) зауважив: "Якщо ви пишете рівняння для того, як утворюються галактики та чорні діри, не здається можливим, що ці величезні маси могли б формуватися так рано, але ми дивимося в небо і вони є ».
Прагнучи розібратися в процесах, що сформували ранні надмасивні чорні діри, Ді Маттео, Крофт та Хандай створили MassiveBlack - найбільше космологічне моделювання на сьогоднішній день. Мета MassiveBlack - точно імітувати перші мільярди років нашого Всесвіту. Описуючи MassiveBlack, Ді Маттео зауважив: "Це моделювання справді гігантське. Це найбільший за рівнем фізики та фактичним обсягом. Ми зробили це тому, що нам було цікаво подивитися на рідкісні речі у Всесвіті, як на перші чорні діри. Оскільки вони такі рідкісні, вам потрібно шукати великий обсяг простору ».
Крофт та його команда розпочали моделювання, використовуючи відомі моделі космології, засновані на теоріях та законах фізики сучасності. "Ми нічого не зводили з розуму. Тут немає ніякої магічної фізики, зайвих речей. Це та сама фізика, яка формує галактики в симуляціях пізнішого Всесвіту ", - сказав Крофт. "Але магічно ці ранні квазари, як і раніше, з'являються. Ми не знали, що збираються з’являтися. Було дивовижно виміряти їхні маси та йти «Вау! Це точний правильний розмір і відображається точно в потрібний момент. Це історія успіху для сучасної теорії космології ».
Дані MassiveBlack були додані до проекту GigaPan Time Machine. Поєднавши дані MassiveBlack з проектом GigaPan Time Machine, дослідники змогли побачити моделювання так, ніби це фільм - легко переглядаючи імітований Всесвіт, як він формується. Коли команда помітила цікаві події, вони також змогли збільшити масштаб, щоб переглянути події більш детально, ніж те, що вони могли побачити у нашому Всесвіті за допомогою наземних або космічних телескопів.
Коли команда збільшила масштаб на створення перших надмасивних чорних дір, вони побачили щось несподіване. Звичайні спостереження показують, що коли холодний газ тече до чорної діри, він нагрівається від зіткнень з іншими довколишніми молекулами газу, а потім охолоджується перед тим, як потрапити в чорну діру. Відомий як "шокове нагрівання", цей процес повинен був зупинити ранні чорні діри до досягнення спостережуваних мас. Натомість команда спостерігала тонкі потоки холодного густого газу, що протікає вздовж «ниток», що спостерігається в масштабних дослідженнях, які розкривають структуру нашого Всесвіту. Нитки дозволяли газу стікати прямо в центр чорних дір з неймовірною швидкістю, забезпечуючи їм холодну, швидку їжу. Стійке, але неконтрольоване споживання дало механізм, щоб чорні діри зростали набагато швидшими темпами, ніж їхні галактики-господарі.
Отримані результати будуть опубліковані в журналах «Астрофізичний журнал».
Якщо ви хочете прочитати більше, перегляньте статті нижче (через Physics arXiv):
Терапіксельне зображення космічних симуляцій
Формування галактик, що розміщують z ~ 6 Квазарів
Ранні чорні діри в космологічних симуляціях
Холодні потоки та перші квазари
Докладніше про Gigapan та MassiveBlack на веб-сайті: http://gigapan.org/gigapans/76215/ та http://www.psc.edu/science/2011/supermassive/
Джерело: Прес-реліз університету Карнегі Меллона
