746
У Всесвіті існує клас чорних дір, які не є надмасивними ядрами галактик і не прив’язані до жодної з них. Вони мандрують космосом мільярди років. Нове дослідження команди з Єльського університету та Університету Північного Техасу, опубліковане в The Astrophysical Journal Letters і описане на сайті Universe Today, показує, що ці «блукачі» могли колись бути надмасивними чорними дірами в центрах галактик, які вибили галактичні злиття.
Роботу очолила аспірантка астрономії Ємма Джейн Веллер (Emma Jane Weller) з Єля. До неї приєдналися професорка фізики та очільниця кафедри астрономії Пріямвада Натареджан (Priyamvada Natarajan) та постдокторант Колін Дж. Берк (Colin J. Burke), який працює в Єлі та Університеті Північного Техасу. Натареджан також є одним із керівників ініціативи з вивчення чорних дір при Гарвардському університеті.
Як симуляція ASTRID відстежує чорні діри
Щоб дослідити походження блукаючих чорних дір, команда використала ASTRID — високодетальну космологічну симуляцію, яка моделює еволюцію Всесвіту від найдавніших епох до сьогодення. У ній враховано зорі, газ, темну матерію та чорні діри, а також їхню взаємодію.
Астрономи аналізували галактики, населені зорями масою від близько 10 мільйонів до 1 трильйона мас Сонця. За допомогою симуляції вони простежили їхню еволюцію протягом приблизно 12,6 мільярда років, від раннього Всесвіту до сучасної епохи.
Важлива особливість ASTRID полягає в тому, що чорні діри не «прописуються» автоматично в центрах галактик. Натомість симуляція враховує гравітаційні сили, які переміщують чорні діри крізь середовище галактики й поступово можуть притягувати їх до центру. Це дало змогу авторам розрізнити стабільні центральні чорні діри та ті, що блукають.
Команда виявила, що механізм, який призводить до появи блукаючих чорних дір, особливо виражений у галактиках малої маси, де загальна гравітація слабша. У таких системах чорні діри легше «виштовхуються» із центру під час галактичних злиттів або через інші динамічні процеси.
За словами Веллер, врахування блукаючих чорних дір нарівні з центральними є ключовим для розуміння походження й динаміки масивних чорних дір, а також історії їхніх галактик-господарів.
Легкі та важкі «зародки» чорних дір
У сучасних теоріях вважається, що найперші чорні діри у молодому Всесвіті з’являлися як своєрідні «зародки». Існують кілька конкуруючих сценаріїв того, як вони виросли до надмасивних чорних дір, які сьогодні спостерігають у центрах галактик.
Одна група гіпотез передбачає, що перше покоління зір, так звані зорі населення III, залишало після себе порівняно невеликі чорні діри. Згодом ці легкі зародки зливалися і поступово набирали масу. Інша ідея говорить про «важкі зародки»: у ранньому Всесвіті чистий, ще не збагачений елементами газ міг безпосередньо колапсувати в масивні чорні діри без проміжної стадії зір.
Пріямвада Натареджан є однією з головних прихильниць саме сценарію «важких зародків». На її думку, нинішні розподіли мас і розташування чорних дір можуть зберігати відбиток того, яким був початковий тип зародка.
Дослідники підкреслюють: положення чорної діри у Всесвіті містить інформацію не лише про обставини її утворення. Воно також несе сліди всієї історії галактики, в якій вона виникла, включно з її злиттями, періодами активного зореутворення та фазами спокою.
Чому саме блукачі можуть бути найінформативнішими
Розділяючи у симуляції центральні та блукаючі чорні діри, команда змогла почати «розплутувати» дві історії — еволюцію самих чорних дір і еволюцію галактик, що їх містять. Автори припускають, що деякі з найцінніших для космології чорних дір можуть виявитися саме тими, що відірвалися від центрів і продовжили існувати як мандрівники.
ASTRID також виявила кілька цікавих закономірностей. По-перше, галактики малої маси, схоже, здатні зберігати інформацію про свій початковий «зародок» чорної діри, навіть попри мільярди років зростання через злиття. Це робить їх перспективними об’єктами для пошуку слідів раннього етапу формування чорних дір.
По-друге, моделювання показує: маломасивні галактики, у яких припинилося утворення нових зір, частіше мають чорні діри в центрах. Натомість галактики з активним зореутворенням, за даними симуляції, із більшою ймовірністю містять блукаючі чорні діри.
Такі співвідношення між активністю зореутворення та розміщенням чорних дір можуть стати підказкою для астрономів, де саме шукати різні популяції цих об’єктів у реальному Всесвіті.
Як спостерігати наслідки, передбачені моделлю
Результати роботи пропонують рамковий підхід до вивчення походження чорних дір, який поєднує великі симуляції з різними типами спостережень. Потенційний «набір інструментів» включає глибокі рентгенівські огляди, оптичну та інфрачервону спектроскопію, радіоспостереження, а також реєстрацію короткочасних спалахів, що виникають, коли чорні діри поглинають зорі.
Як зазначає Веллер, кожен із цих методів дає змогу виявити свою частину популяції чорних дір. Поєднавши реальні дані зі статистикою, отриманою із симуляцій на кшталт ASTRID, астрономи можуть спробувати виокремити відбитки формування чорних дір і еволюції галактик. Блукаючі чорні діри, які вже залишили свої домівки, у цьому підході можуть виявитися особливо цінними «свідками» історії Всесвіту.
Блукаючі чорні діри зберігають історію галактик та їхнього народження з’явилася спочатку на Цікавості.
