Как создать черную дыру из воздуха

Сколько существует способов покинуть эту вселенную?

Пожалуй, самый известный режиссер влечет за собой смерть звезды. В 1939 году физик Роберт Оппенгеймер и его студент Харлан Снайдер из Калифорнийского университета в Беркли предсказали, что, когда у достаточно массивной звезды заканчивается термоядерное топливо, она коллапсирует внутрь и продолжает коллапсировать вечно, сжимая пространство, время и пространство. Свет превращается в то, что сегодня называют черной дырой.

Но оказывается, что для образования черной дыры может быть и не нужна мертвая звезда. Вместо этого, по крайней мере в ранней Вселенной, гигантские облака первичного газа могли коллапсировать прямо в черные дыры, минуя миллионы лет своего звездного существования.

К такому предварительному выводу недавно пришла группа астрономов, изучающих UHZ-1, пятнышко света, появившееся вскоре после Большого взрыва. Фактически, UHZ-1 является (или был) мощным квазаром, который излучал огонь и рентгеновские лучи из сверхмассивной черной дыры 13,2 миллиарда лет назад, когда Вселенной не было и 500 миллионов лет.

С космологической точки зрения это необычайно близко, поскольку сверхмассивная черная дыра могла возникнуть в результате коллапса и слияния звезд. Приямвада Натараджан, астроном Йельского университета и ведущий автор Статья опубликована в журнале Astrophysical Letters.Она и ее коллеги подтверждают, что они обнаружили в UHZ-1 новый небесный тип, который они называют сверхмассивной галактикой черной дыры, или OBG. По своей сути OBG — это молодая галактика, закрепленная черной дырой, которая очень быстро стала очень большой. .

Открытие этого раннего квазара может помочь астрономам разгадать загадку, которая озадачивала их на протяжении десятилетий. Почти каждая видимая галактика в современной Вселенной, похоже, содержит в своем центре сверхмассивную черную дыру, масса которой в миллионы миллиардов раз превышает массу Солнца. Откуда взялись эти монстры? Могут ли обычные черные дыры расти так быстро?

Доктор Натараджан и ее коллеги предполагают, что UHZ-1 и, возможно, многие сверхмассивные черные дыры возникли как первичные облака. Эти облака, возможно, распались на зерна, которые стали преждевременно тяжелыми и достаточными, чтобы инициировать рост массивных галактик с черными дырами. Это еще одно напоминание о том, что видимая нами Вселенная управляется невидимой геометрией тьмы.

«Являясь первым кандидатом на OBG, UHZ-1 предоставляет убедительные доказательства формирования тяжелых прото-зародышей в результате прямого коллапса в ранней Вселенной», — пишут доктор Натараджан и ее коллеги. «Похоже, что природа создает семена ЧД разными способами, — добавила она в электронном письме, — помимо смерти звезд!»

«Брия обнаружила очень интересную черную дыру, если это правда», — сказал Дэниел Хольц, теоретик из Чикагского университета, изучающий черные дыры.

Он добавил: «Это просто слишком масштабно и слишком рано. Это похоже на то, как если бы вы заглянули в класс детского сада: среди всех пятилетних детей есть один ростом 150 фунтов и/или шесть футов.

Согласно истории, которую астрономы продолжают рассказывать себе об эволюции Вселенной, первые звезды конденсировались из облаков водорода и гелия, оставшихся после Большого взрыва. Они горели горячо и быстро, быстро взрываясь и коллапсируя, образуя черные дыры массой от 10 до 100 раз больше Солнца.

На протяжении тысячелетий из пепла предыдущих звезд образовывались последовательные поколения звезд, обогащая химию Вселенной. Черные дыры, оставшиеся после их смерти, продолжали каким-то образом сливаться и расти, образуя сверхмассивные черные дыры в центрах галактик.

Космический телескоп Джеймса Уэбба, запущенный два года назад в это Рождество, был предназначен для проверки этой идеи. Он имеет самое большое зеркало в космосе диаметром 21 фут. Самое главное, что он был разработан для регистрации инфракрасных волн, излучаемых светом самых далеких и, следовательно, самых старых звезд во Вселенной.

Но как только новый телескоп был направлен на небо, он смог увидеть новые галактики, настолько массивные и яркие, что они превзошли ожидания космологов. В течение последних двух лет бушевали споры о том, действительно ли эти наблюдения угрожают давней модели Вселенной. Модель описывает Вселенную как состоящую из следов видимой материи, удивительного количества «темной материи», которая обеспечивает гравитацию, связывающую галактики вместе, и «темной энергии», которая раздвигает эти галактики.

Открытие UHZ-1 представляет собой переломный момент в этих дискуссиях. Чтобы подготовиться к будущим наблюдениям массивного скопления галактик в созвездии Скульптора с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба, команда доктора Натараджан запросила время в рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра». Масса скопления действует как гравитационная линза, увеличивая объекты позади себя в пространстве и времени. Исследователи надеялись получить рентгеновский снимок того, что может видеть объектив.

Они обнаружили квазар, питаемый сверхмассивной черной дырой, масса которой примерно в 40 миллионов раз превышает массу Солнца. Дальнейшие наблюдения телескопа Уэбб подтвердили, что она находится на расстоянии 13,2 миллиарда световых лет от Земли. (Скопление Скульптора расположено на расстоянии около 3,5 миллиардов световых лет от нас.) Это был самый дальний и старый квазар, когда-либо обнаруженный во Вселенной.

«Нам нужен был Уэбб, чтобы найти эту удивительно далекую галактику, и Чандра, чтобы найти ее сверхмассивную черную дыру», — сказал в пресс-релизе Акос Богдан из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики. «Мы также воспользовались преимуществами космического увеличительного стекла, которое увеличило количество обнаруженного нами света».

Результаты показывают, что сверхмассивные черные дыры существовали спустя 470 миллионов лет после Большого взрыва. Этого времени недостаточно, чтобы позволить черным дырам, созданным первым поколением звезд, массой от 10 до 100 солнечных, вырасти до таких размеров.

Был ли другой способ образования более крупных черных дыр? В 2017 году доктор Натараджан предположил, что коллапс первичных газовых облаков может привести к появлению черных дыр, которые в 10 000 раз массивнее Солнца.

«Тогда вы можете представить, что одна из них позже вырастет и образует эту маленькую, раннюю большую черную дыру», — сказал доктор Хольц. В результате, как он отметил, «в каждый последующий период истории Вселенной всегда будут существовать удивительно большие черные дыры».

«Тот факт, что эти объекты зародились в гипермассивной жизни, означает, что они, вероятно, в конечном итоге превратятся в сверхмассивные черные дыры», — сказал доктор Натараджан. Но никто не знает, как это работает. Черные дыры составляют 10% массы ранней звезды-квазара UHZ-1, в то время как они составляют менее одной тысячной массы современных галактик, таких как гигантская галактика Мессье 87, чья черная дыра имеет массу 6,5 масс. Масса в один миллиард Солнца, когда ее изображение было получено телескопом Event Horizon в 2019 году.

Это говорит о том, что эффекты сложных обратных связей окружающей среды доминируют в росте и эволюции этих галактик и их черных дыр, заставляя их накапливать больше массы в звездах и газе.

«Фактически, эти очень ранние OBG передают и освещают больше информации о физике семени, а не о последующем росте и развитии», — сказал доктор Натараджан. «Хотя это имеет важные последствия», — добавила она.

«Конечно, было бы здорово, если бы это оказалось именно тем, что происходит, но я действительно не знаю», — сказал доктор Хольц. «Это будет увлекательная история, независимо от того, как будет решена загадка ранних больших черных дыр», — добавил он.