Астрономы выяснили, как подсмотреть за рождением сверхмассивной чёрной дыры
Исследователи нашли способ различить в телескоп детали образования сверхмассивной чёрной дыры (СЧД). Различные сценарии этого процесса можно отличить друг от друга благодаря наблюдениям инструмента, который вступит в строй уже в 2021 году. Такие выводы изложены в научной статье, опубликованной в журнале Nature Astronomy группой во главе с Джоном Вайсом (John Wise) из Технологического института Джорджии.
Как известно, в центрах многих галактик (включая нашу) есть чёрные дыры массой в миллионы и миллиарды солнц. Как они образовались? Исчерпывающего ответа на этот вопрос нет. Пока астрономы даже не знают, появляется ли такой объект одновременно со своей галактикой, после её образования или даже перед ним.
Дело в том, что астрономы никогда ещё не наблюдали образование сверхмассивных чёрных дыр. Но у них скоро появится такой шанс.
Напомним, что далёкие объекты мы видим такими, какими они были в момент испускания света (или другого излучения). Поэтому объекты, отделённые от нас миллиардами световых лет, мы наблюдаем чрезвычайно юными. До сих пор телескопы не могли заглянуть в такие глубины Вселенной, чтобы "застать" образование галактик и СЧД в них. Однако космический телескоп "Джеймс Уэбб" (James Webb Space Telescope), старт которого намечен на 2021 год, сможет это сделать.
Разумеется, он увидит не саму чёрную дыру, а облако падающего на неё газа и пыли. В связи с этим уместно спросить, как наблюдатель сможет понять, что происходит за этой завесой. Ответ на этот вопрос и искала команда Вайса.
"В центрах многих крупных галактик есть сверхмассивные чёрные дыры, но у нас не было возможности наблюдать, как они формируются и как они стали такими большими, – поясняет Кирк Бэрроу (Kirk Barrow), первый автор статьи, также из Технологического института Джорджии. – Учёные предположили, что эти сверхмассивные чёрные дыры могли образоваться при рождении галактики, и мы хотели превратить эти теоретические прогнозы в прогнозы о наблюдательных фактах, которые можно было бы увидеть на космическом телескопе "Джеймс Уэбб".
Авторы смоделировали на суперкомпьютере образование чёрной дыры из огромного облака вещества. Моделирование исходило лишь из самых фундаментальных физических законов, касающихся гравитации, излучения и гидродинамики.
"Если сначала образуется галактика, а затем чёрная дыра в её центре, у неё будут определённые наблюдательные характеристики, – говорит Вайс. – Были бы они другими, если бы чёрная дыра сформировалась первой? Мы хотели выяснить, будут ли какие-либо физические различия, и если да, то трансформируются ли они в различия, которые мы могли бы наблюдать с помощью космического телескопа "Джеймс Уэбб".
Согласно результатам моделирования, образование СЧД занимает около миллиона лет. На первом этапе из облака газа образуется "суперзвезда" массой в сто тысяч солнц. Однако под действием собственного тяготения она сжимается в чёрную дыру.
Излучение падающего на новорождённую СЧД вещества ионизирует окружающий газ. В нём начинаются процессы, ускоряющие образование звёзд. Этот "бэби-бум" продолжается около 500 тысяч лет.
"Звёзды этого первого поколения обычно намного более массивные [чем Солнце], поэтому они живут в течение более короткого периода времени, – объясняет Вайс. – В первые пять-шесть миллионов лет после своего образования они умирают и становятся сверхновыми. Это ("фейерверк" из вспышек сверхновых – прим. ред.) ещё один потенциальный наблюдательный факт, о котором мы сообщаем в этом исследовании".
После этого "салюта" основным источником информации для "Джеймса Уэбба" будет собственное ультрафиолетовое излучение падающего на СЧД вещества. Красное смещение превратит его в инфракрасные лучи, для приёма которых и предназначен телескоп.
Исследователи нашли детали в инфракрасном спектре объекта, которые укажут, как формировалась чёрная дыра и как этот процесс был связан с рождением галактики. По их прогнозам, космическому телескопу понадобится всего 5,6 часа наблюдательного времени, чтобы собрать нужную информацию. После этого астрономы смогут сказать, какой из конкурирующих сценариев ближе к истине.
"Это одна из последних великих загадок ранней Вселенной, – заключает Бэрроу. – Мы надеемся, что это исследование станет хорошим шагом к выяснению того, как эти сверхмассивные чёрные дыры образуются при рождении галактики".
Напомним, что ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) говорили о проекте, призванном разглядеть "поверхность" сверхмассивной чёрной дыры, о том, что по Млечному Пути могут бродить несколько таких гигантов, и о самой быстрорастущей чёрной дыре.
