Астрономи виявили надзвичайно старі надмасивні чорні діри, ті, що утворилися, коли Всесвіт був зовсім молодим. Але вони були спантеличені тим, як чорна діра може вирости до таких приголомшливих розмірів, коли сам Всесвіт був лише малюком.
Зараз астрономи виявили унікальний набір умов, які були присутні через півмільярда років після Великого вибуху, що дозволило цим монстрам сформуватися чорні діри. Незвичайне джерело інтенсивного випромінювання створило так звані «чорні діри прямого колапсу».
"Це космічне диво", - сказав Волкер Бромм з Техаського університету в Остіні, який працював з кількома астрономами над знахідкою. "Це єдиний час в історії Всесвіту, коли умови як раз підходять для них."
Загальноприйняте розуміння того, як утворюються чорні діри, називається теорією нарощування, де надзвичайно масивна зірка руйнується, а «насіння» чорної діри будуються від колапсу шляхом витягування газу з їх оточення та злиттям менших чорних дір. Але цей процес займає багато часу, набагато довший, ніж час, навколо якого швидко формуються чорні діри. Плюс до цього, у ранньому Всесвіті не було кількості газу та пилу, необхідних для надмасивних чорних дір, щоб вирости до їх гігантських розмірів.
Нові дані натомість дозволяють припустити, що деякі з перших чорних дір утворюються безпосередньо при руйнуванні хмари газу, минаючи будь-які інші проміжні фази, такі як утворення та подальше знищення масивної зірки.
Звичайно, як і будь-яка чорна діра, цих "прямих колапсів" чорні діри не видно. Але існували вагомі докази їх існування, оскільки вони потрібні для живлення надзвичайно яскравих квазарів, виявлених у молодому Всесвіті. Велика яскравість квазара відбувається від спіралі речовини у надмасивну чорну діру, нагрівання до мільйонів градусів, створення струменів, які світяться, як маяки по всесвіту. Але оскільки теорія нарощування не пояснює надмасивних чорних дір у надзвичайно віддаленій - і тому молодій - Всесвіті, астрономи також не могли пояснити квазари. Це було названо "проблемою насіння квазара".
"Квазари, що спостерігаються у ранньому Всесвіті, нагадують немовлят-гігантів у пологовому залі, повному нормальних немовлят", - сказав Аві Лоб з Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики, який працював з Броммом. «Залишається цікаво: що особливого у середовищі, яке виховувало цих гігантських дітей? Зазвичай резервуар холодного газу в сусідніх галактиках, як Чумацький Шлях, споживається здебільшого утворенням зірок ».
Але в 2003 році Бромм і Лоб придумали теоретичну ідею отримати ранню галактику, щоб сформувати надмасивну чорну діру насіння, придушивши інакше заборонений введення енергії від утворення зірки. Вони назвали процес "прямим крахом".
"Почніть з" споконвічної хмари водню та гелію, просоченої в морі ультрафіолетового випромінювання ", - сказав Бромм. «Ви хрустіть цю хмару в гравітаційному полі ореолу темної речовини. Зазвичай хмара могла б охолонути та фрагментуватися, утворюючи зірки. Однак ультрафіолетові фотони зберігають газ гарячим, тим самим пригнічуючи будь-яке утворення зірки. Це бажані, майже чудодійні умови: крах без фрагментації! Коли газ стає все більш компактним, з часом у вас з’являються умови для масивної чорної діри ».
Цей набір космічних умов, здається, існував лише в дуже ранньому Всесвіті, і цей процес сьогодні не відбувається в галактиках.
Щоб перевірити свою теорію, Бромм, Лоб та їхній колега Аарон Сміт почали вивчати галактику під назвою CR7, ідентифіковану дослідженням космічного телескопа Хаббла під назвою COSMOS як приблизно за 1 мільярд років після Великого вибуху.
Девід Собрал з Лісабонського університету здійснив подальші спостереження за CR7 з деякими найбільшими наземними телескопами в світі, включаючи Keck та VLT. Вони виявили деякі надзвичайно незвичайні риси у світлому підписі, що надходить від CR7. Зокрема, воднева лінія Ліман-альфа була в кілька разів яскравішою, ніж очікувалося. Примітно, що спектр також показав незвично яскраву лінію гелію.
"Що б не їхало, це джерело дуже гаряче - досить гаряче, щоб іонізувати гелій", - сказав Сміт, близько 100 000 градусів Цельсія.
Ці та інші незвичайні риси в спектрі означали, що це може бути або скупчення споконвічних зірок, або надмасивна чорна діра, ймовірно, утворена прямим колапсом.
Сміт провів моделювання для обох сценаріїв, і хоча сценарій зіркового кластеру "вражаюче провалився", - сказав Сміт, модель прямого обвалу чорної діри успішно виконана.
Також на початку цього року дослідники використовували комбіновані дані з рентгенівської обсерваторії Чандри, космічного телескопа Хаббла та космічного телескопа Спітцер для ідентифікації цих можливих насіння чорної діри. Вони знайшли два об'єкти, обидва вони відповідали теоретичному профілю в інфрачервоних даних. (читайте їхній документ тут.)
Схоже, астрономи «сходяться за цією моделлю», - сказав Сміт, для вирішення проблеми квазарного насіння та ранньої загадки чорної діри.
Слідкуйте за налаштуваннями.
Робота Бромма, Лоба та Сміта опублікована в журналі "Щомісячні повідомлення" Королівського астрономічного товариства.
Джерела:
RAS, Гарвард-Смітсоніан CfA, Прес-реліз для виявлення NASA прямих крах чорних дір на початку цього року.
