Надмасивні чорні діри є одними з найбільших об’єктів у Всесвіті. Їхню еволюцію складно пояснити, оскільки маса їх у мільйони до мільярдів разів перевищує масу Сонця.
І вищий діапазон мас для цих об’єктів, особливо на початку історії Всесвіту, є ще складнішим. Ці надмасивні чорні діри мають масу понад 10 мільярдів Сонць, і це не просто теоретично. Галактика під назвою J2157, помічена приблизно 12,3 мільярда років тому, містила чорну діру з масою 34 мільярди сонячних мас , тоді як галактика під назвою S5 0014+81 приблизно 12,1 мільярда років тому мала чокнер масою 40 мільярдів сонячних мас .
Якби ці чорні діри просто сиділи там і росли, живлячись матеріалом навколо них, то коли вік Всесвіту був менш ніж на 10 відсотків від його поточного віку, у них було б достатньо часу, щоб стати настільки великими.
Однак очевидно, що їх існування не є неможливим. Зрештою, вони там. І нове моделювання, яке використовує потужний суперкомп’ютер для моделювання раннього Всесвіту, дало нам засіб, за допомогою якого ці звірі можуть існувати, не порушуючи наші поточні космологічні моделі.
«Ми виявили, що один з можливих каналів утворення надмасивних чорних дір — це екстремальне злиття масивних галактик, яке, найімовірніше, станеться в епоху «космічного полудня», — пояснює астрофізик Юеїн Ні з Гарвардсько- Смітсонівського центру Астрофізика (CfA).
Повільне зростання шляхом акреції – це лише один зі способів, за допомогою якого чорні діри можуть набирати масу. Інший спосіб, який ми фактично спостерігали в останні роки, – це зіткнення двох чорних дір . Це свого роду швидкий шлях до набуття великої маси, що призводить до утворення чорної діри, яка трохи менша за загальну масу об’єктів до злиття, оскільки невеликий відсоток маси втрачається як гравітаційна енергія під час злиття.
Щоб визначити, як можуть утворюватися надмасивні чорні діри в ранньому Всесвіті, Ні та її колеги використовували спеціально розроблене програмне забезпечення під назвою Astrid , призначене для вивчення еволюції Всесвіту, включаючи утворення галактик і злиття надмасивних чорних дір. Вони запускають Astrid на суперкомп’ютері під назвою Frontera в Техаському передовому обчислювальному центрі.
Потрібен суперкомп’ютер, оскільки вам потрібен великий об’єм простору для спостереження екстремальних відхилень, таких як надмасивні чорні діри, а це, своєю чергою, вимагає великої обчислювальної потужності. Але це окупилося: приблизно 10 мільярдів років тому дослідники побачили, як утворилися чорні діри масою близько 10 мільярдів сонячних мас.
«Ми знайшли три надмасивні чорні діри, які зібрали свою масу в космічний полудень , час 11 мільярдів років тому, коли утворення зірок, активні галактичні ядра (AGN) і надмасивні чорні діри загалом досягають свого піку активності», — говорить Ні.
«У цю епоху ми помітили екстремальне та відносно швидке злиття трьох масивних галактик. Маса кожної з галактик у 10 разів перевищує масу нашого Чумацького Шляху, а в центрі кожної галактики знаходиться надмасивна чорна діра. Наші висновки показують, що Можливо, що ці триплетні системи квазарів є прабатьками цих рідкісних надмасивних чорних дір, після того як ці триплети гравітаційно взаємодіють і зливаються один з одним».
Ми знаємо, що галактики іноді стикаються та зливаються одна з одною – сам Чумацький Шлях є свого роду монстром Франкенштейна з менших галактик – і що ці злиття можуть бути тристоронніми розгромами . Моделювання Астрід показує, що це може статися і в ранньому Всесвіті з квазарами великої маси.
Це клас галактик із гіперактивною надмасивною чорною дірою в центрі, яка активно поглинає стільки матеріалу, що палає світлом на мільярди світлових років, найяскравіші об’єкти у Всесвіті.
Коли ці галактики зливаються, їхні надмасивні чорні діри також зливаються, опускаючись до центру новоствореної масивної галактики, щоб здійснити орбітальний танець, який зрештою призведе до злиття масивної чорної діри. Ми не знаємо, з якою швидкістю відбуваються ці зіткнення – частота гравітаційних хвиль , які вони випромінюють, надто низька для нашого поточного діапазону виявлення – але оцінки показують, що це відбувається досить часто .
Однак нові досягнення в технології можуть означати, що ми набагато ближче до пошуку спостережних доказів цих злиттів. Лазерна інтерферометрична космічна антена NASA (LISA) зможе виявляти набагато ширший діапазон гравітаційних хвиль; а потужний космічний телескоп Джеймса Вебба навіть зараз вдивляється в далекий Всесвіт, щоб відкрити його таємниці.
Висновки команди та моделювання Astrid зможуть допомогти вченим краще інтерпретувати спостереження JWST і дізнатися, як космічний полудень сформував Всесвіт, який ми бачимо навколо нас сьогодні.
«Це хвилюючий час для астрофізиків», — каже Ні .
