А холодный газ создает ранние квазары?
Did cold gas create early quasars?
Ранние сверхмассивные черные дыры
могли бы расти в одиночку
Астрономы знают, что сверхмассивные черные дыры в центрах галактик существовали в ранней Вселенной, но как этим объектам удалось накопить такой вес за короткий космологический отрезок времени остается загадкой. Теперь группа исследователей в Германии и США использовали широкомасштабное компьютерное моделирование, чтобы показать, что холодные потоки газа из-за пределов молодой галактики могли бы кормить черную дыру в центре галактики для ее достаточно быстрого роста.
Сверхмассивные черные дыры - это печи в центрах галактик. Они сосут в огромных количествах вещество, которое высвобождает энергию, вызывая свечение газа, окружающего их. Астрономы называют эти светящиеся галактические центры квазарами, а в обзоре неба от инфракрасного глубокого телескопа, что в Великобритании (UKIDSS - UK Infrared Telescope Deep Sky Survey) обнаружен свет от квазара, испущенный всего лишь через 800 миллионов лет после Большого Взрыва. Этот квазар и несколько выбранных из обзора Sloan Digital Sky значительно ярче, чем ожидалось. В самом деле, они излучают столько света, что черные дыры в их центрах, должно быть огромными, по крайней мере, в миллиард раз превышать массу Солнца.
Предполагая, что сверхмассивная черная дыра начинает жизнь как относительно небольшая черная дыра в коллапсировавшем ядре массивной сверхновой, Фолькер Шпрингель (Volker Springel) из Гейдельбергского Института теоретических Исследований в Германии говорит, что необходимо было бы поглощать вещество на максимальной скорости с момента рождения, чтобы достичь миллиардов солнечных масс сейчас. «Кажется, это возможно, но немного надумано», говорит он. Это потому, что скорость, с которой черная дыра накапливает вещество пропорциональна ее массе, и поэтому малые черные дыры растут очень медленно.
Прямой коллапс
Альтернативным объяснением является то, что очень большое количество газа - примерно 100 тысяч солнечных масс - возможно, упало прямо в черную дыру. Теперь, Шпрингель и коллеги - в том числе руководитель группы Тициан Ди Маттео (Tiziana Di Matteo) из Университета Карнеги-Меллона в США - использовали компьютерное моделирование, чтобы показать, что такой сценарий возможен.
Исследователи моделировали вселенную в виртуальном кубе со стороной 2400 миллионов световых лет, что составляет примерно 1% от видимой Вселенной сегодня. Этот размер моделирования был выбран, чтобы увеличить шансы того, что чрезвычайно массивный квазар возникнет в модели. Внутри моделируемого объема газ и темная материя (форма материи, которая взаимодействует только через гравитацию) были представлены 65,5 миллиардами частиц.
«Это замечательное достижение, чтобы иметь возможность смоделировать такой огромный объем пространства с точностью, необходимой для распознавания одной черной дыры», говорит Дэниел Мортлок (Daniel Mortlock) из Имперского колледжа в Лондоне. Хотя разрешение было достаточно хорошее, чтобы смотреть на отдельные черные дыры, это все же достаточно грубое моделирование, чтобы считать его достоверным. В результате, каждая «частица» газа имела массу как 57 миллионов Солнц, а темная материя весила как 280 миллионов солнечных масс на одну частицу.
Моделирование на миллиард лет
Моделирование покрыло промежуток времени с 10 миллионов лет после Большого взрыва до примерно 1,3 миллиарда лет. С течением времени, гравитация вызывала постепенное скучивание частиц. И вот когда скопление частиц газа достигло плотности связанной с образованием черной дыры, программа вводит частицу в 100 000 солнечных масс в середину скопления представляя черную дыру. Это «семя» может затем начать аккрецию частиц газа в соответствии с моделью роста черной дыры.
Спустя 800 миллионов лет, одна черная дыра достигла 3 миллиардов солнечных масс, а еще девять были близки к миллиарду солнечных масс. Чтобы узнать, как они выросли, был увеличен масштаб и обнаружено, что те дыры, которые растут быстрее, как бы заглатывают густые потоки газа. Эта картина поддерживает идею «холодного газа» проникающего прямо в черную дыру без разогрева в результате взаимодействия с горячим газом уже в непосредственной близости. Хотя слияния черных дыр и было предложено в качестве пути к сверхмассивной черной дыре, объединенные черные дыры не появились среди крупнейших в моделировании.
«[Моделирование] является первым, чтобы количественно оценить, что холодные потоки газа могут привнести большое количество свежего «топлива» к центру галактики, позволяющего кормление сверхмассивной черной дыры даже при отсутствии слияний», говорит Лусио Майер (Lucio Mayer) из Цюрихского университета, Швейцария. «Тем не менее, разрешение моделирования по-прежнему слишком низкое, чтобы установить, действительно ли такой газ будет напрямую питать центральную черную дыру». Он допускает, что было бы логичнее рассматривать газовый диск, окружающий черную дыру, кормящий ее медленно, но такое детальное поведение должно быть изучено при моделировании с более высоким разрешением.