Надмасивні чорні діри ростуть з дивовижною швидкістю

Дослідження може допомогти з’ясувати, як надмасивні чорні діри стають такими величезними.

Згідно з новим дослідженням, у ранньому Всесвіті було більше жахливих чорних дір, ніж вважалося раніше.

Новий спосіб прогнозування маси найбільших надмасивних чорних дір, які, як вважається, ховаються в серці більшості галактик, показав, що ці космічні титани можуть рости швидше, ніж вважалося раніше.

Результати, отримані за допомогою нових методів комп’ютерного моделювання, свідчать про те, що мільярди років тому чорні діри могли бути більшими, ніж вважали вчені. Це потенційний прорив, оскільки він може допомогти дослідникам зрозуміти, як надмасивні чорні діри досягають таких величезних розмірів.

“Чорна діра в центрі нашої галактики в мільйони разів перевищує масу Сонця, але ми також бачимо інші, які, як ми думаємо, в мільярди разів перевищують масу Сонця”, – сказав автор дослідження Джозеф Саймон, постдокторський дослідник з Університету Колорадо в Боулдері, в своїй заяві. “У нас є дуже хороші вимірювання мас надмасивних чорних дір для нашої галактики і для галактик, розташованих поруч. Ми не маємо таких самих вимірювань для галактик, розташованих далі. Нам доводиться лише здогадуватись”.

Дві надмасивні чорні діри, які людство вже зобразило, слугують вражаючими прикладами того, наскільки великий діапазон мас охоплюють ці космічні монстри. Стрілець A* (Sgr A*), що знаходиться в самому серці Чумацького Шляху, має масу, яка дорівнює приблизно 4,5 мільйонам сонць. Чорна діра, яка ховається в галактиці M87, розташованій на відстані близько 6 мільйонів світлових років від нас, має масу, що дорівнює приблизно 5 мільярдам сонць.

Існує кілька теорій про те, як надмасивні чорні діри виростають до неймовірних розмірів, більшість з яких передбачає злиття менших чорних дір.

Але з цією ідеєю є проблема: чи було достатньо часу в 13,8-мільярдній історії Всесвіту для цих процесів, щоб надмасивні чорні діри виросли настільки великими, особливо ті, що існували мільярди років тому?

“Існувало очікування, що ви побачите ці дійсно масивні системи лише в найближчому всесвіті, – каже Саймон. “Для зростання чорних дір потрібен час”.

Чорні діри були масивними у ранньому всесвіті

Коли чорні діри, що зіштовхуються, кружляють одна навколо одної, вони посилають гравітаційні хвилі – пульсації у просторі-часі, які, згідно з теорією відносності Ейнштейна, створюються масивними об’єктами, що прискорюються, – витікаючи крізь простір. Фінальне зіткнення чорних дір посилає масивний сплеск гравітаційних хвиль, що сигналізує про злиття. Деякі з цих хвиль зрештою омивають Землю і несуть інформацію про події, які їх створили.

Саймон є частиною зусиль Північноамериканської наногерцової обсерваторії гравітаційних хвиль (NANOGrav), яка полює за постійним потоком гравітаційних хвиль, що називається “гравітаційним хвильовим фоном”. Але, щоб повністю зрозуміти це, вченим потрібно знати маси надмасивних чорних дір протягом космічної історії.

Щоб розробити новий спосіб визначення мас чорних дір, навіть для віддалених прикладів, Саймон зібрав інформацію про сотні тисяч галактик, деякі з яких знаходяться так далеко, що їх можна побачити такими, якими вони були мільярди років тому. На основі цих даних дослідник розрахував маси чорних дір для деяких з найбільших галактик у Всесвіті. Потім він застосував комп’ютерне моделювання, щоб імітувати гравітаційні хвилі, які ці об’єкти могли б створювати.

Це дало Саймону розкид мас чорних дір у Всесвіті віком приблизно чотири мільярди років. Дані показали дещо несподіване: Мільярди років тому у Всесвіті було більше великих галактик і величезних надмасивних чорних дір, ніж передбачається зараз.

Нове дослідження припускає, що цим жахливим надмасивним чорним дірам може знадобитися не так багато часу для зростання, як передбачалося раніше. Подібних висновків дійшли астрономи, які виявили несподівано великі чорні діри, що причаїлися в ранньому Всесвіті.

На наступних етапах цього дослідження Саймон має намір вивчити чорні діри, розташовані ще далі від Землі і, таким чином, помічені ще раніше в космічній історії. Він сподівається, що це дослідження допоможе зрозуміти, як формуються галактики на кшталт Чумацького Шляху, враховуючи, що надмасивні чорні діри мають величезний вплив на галактики, які їх приймають.

“Розуміння маси чорних дір має вирішальне значення для деяких з цих фундаментальних питань, таких як фон гравітаційних хвиль, а також те, як ростуть галактики і як еволюціонував наш всесвіт”, – підсумував він.

Дослідження було опубліковане у випуску від 30 травня в журналі The Astrophysical Journal Letters.