Змодельовано швидке зростання надмасивних чорних дір на ранніх етапах еволюції Всесвіту

Співробітники Університету Карнегі — Меллона (США) та Центру астрономії Гейдельберзького університету (Німеччина) змоделювали швидке зростання надмасивних чорних дір на ранніх етапах еволюції Всесвіту.

Те, що дуже великі чорні діри існували навіть у відносно молодий Всесвіту, було встановлено при спостереженні віддалених яскравих квазарів (активних ядер галактик), які знаходяться на червоному зсуві z ~ 6-7. Такі квазари, зрозуміло, зустрічаються нечасто, а оціночні їх маси чорних дір перевищують мільярд сонячних.

Якщо дірки встигають набирати вагу до z = 7, їх «зародки» повинні формуватися на z > 10. Зовсім нещодавно астрофізики показали, що це умова здійснимо, і перейшли до обговорення питання про те, за рахунок чого початкова маса зародка « — < 105 сонячних може збільшитися на чотири порядки менше, ніж за один мільярд років. Оскільки об’єднання чорних дір рідкісні, єдиним реальним варіантом залишається інтенсивна аккреция газу, яку необхідно якимось чином підтримувати на всьому інтервалі швидкого зростання.

Щоб оцінити можливість активної та тривалої аккреції, автори побудували гідродинамічну космологічну модель за методом згладжених частинок. Число останніх при обчисленнях доходило до 65,5 мільярда, а довжина сторони змодельованої кубічної області простору виявилася дорівнює 533/Мпк h, де h — безрозмірний параметр, що відображає невизначеність постійної Хаббла H і дорівнює H/(100 км/с/Мпк). Маса частинок газу становила 5,7•107 сонячної, а частинок темної матерії — 2,8•108 сонячної.

Розрахунки проводилися на суперкомп’ютері Kraken XT5, який знаходиться у віданні американського Національного інституту обчислювальних наук. У листопадовому рейтингу суперкомп’ютерів ця система посідає одинадцяту сходинку.

Результати моделювання на червоному зсуві z = 5. У центрах двох збільшених зображень знаходиться сама масивна з чорних дір, що утворилися в ході розрахунків. (Тут і нижче ілюстрації з Astrophysical Journal Letters.)

Моделювання стартувало на червоному зсуві z = 159 і тривало до z = 4,75. Обробляючи його результати, вчені виявили в розрахунковому обсязі відразу десять чорних дір, які виросли приблизно до 109 сонячних мас вже на z ~ 6. Ці об’єкти підживлювалися потужними потоками щільного холодного газу, причому природний механізм зворотного зв’язку (нагрів за рахунок виділення енергії квазаром), який, як передбачалося, буде стримувати аккрецию, не справлявся зі своїм завданням.

На червоному зсуві z ≤ 6 ситуація змінювалася: квазар порушував рух холодного речовини, аккреция придушувалася, і процес зростання чорної діри ставав саморегулівним. Так як цей сценарій розвитку подій ідеально відповідає даним спостережень, можна зробити висновок, що об’єднання (прото)галактик молодий Всесвіту дійсно не можна вважати обов’язковою умовою ефективного постачання газом перших надмасивних чорних дір.

Червоним, сірим і чорним позначені шляхи розвитку трьох великих чорних дірок. В помаранчеву область потрапляють параметри всіх чорних дір, маса яких досягла ~109 сонячних на червоному зсуві z ~ 6.

Повна версія звіту опублікована у виданні Astrophysical Journal Letters; препринт статті можна завантажити з сайту arXiv.

Підготовлено за матеріалами Universe Today.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *