Как создать черную дыру из воздуха

Сколько существует способов покинуть эту вселенную?

Возможно, самый известный выход влечет за собой смерть звезды. В 1939 году физик Дж. 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 свет. вокруг себя в том, что сегодня называют черной дырой.

Но оказывается, что для создания черной дыры может не потребоваться мертвая звезда. Вместо этого, по крайней мере в ранней Вселенной, гигантские облака первичного газа могли коллапсировать прямо в черные дыры, минуя миллионы лет, проведенных в звездном мире.

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 извергал огонь и рентгеновские лучи из чудовищной черной дыры 13,2 миллиарда лет назад, когда Вселенная была еще не совсем молодой на 500 миллионов лет.

С космической точки зрения это необычно скоро, поскольку столь массивная черная дыра возникла в результате коллапса и слияния звезд. Приямвада Натараджан, астроном из Йельского университета и ведущий автор статья, опубликованная в Astrophysical Journal Letters.и ее коллеги утверждают, что в UHZ-1 они обнаружили новый небесный вид, который они называют сверхмассивной галактикой черной дыры или OBG. По сути, OBG — это молодая галактика, закрепленная черной дырой, которая слишком быстро стала слишком большой. .

Открытие этого рано развившегося квазара может помочь астрономам решить связанную с ними загадку, которая мучила их десятилетиями. Кажется, что почти каждая галактика, видимая в современной Вселенной, содержит в своем центре сверхмассивную черную дыру, в миллионы миллиардов раз массивнее Солнца. Откуда взялись эти монстры? Могли ли обычные черные дыры так быстро вырасти до таких размеров?

Доктор Натараджан и ее коллеги предполагают, что UHZ-1 и, возможно, многие сверхмассивные черные дыры возникли как первичные облака. Эти облака могли сжаться в ядра, которые были бы преждевременно тяжелыми — и были бы достаточны, чтобы дать толчок росту сверхмассивных галактик с черными дырами. Они являются еще одним напоминанием о том, что видимая нами Вселенная управляется невидимой геометрией тьмы.

«Являясь первым кандидатом на OBG, UHZ-1 предоставляет убедительные доказательства формирования тяжелых начальных зародышей в результате прямого коллапса в ранней Вселенной», — пишут доктор Натараджан и ее коллеги. В электронном письме она добавила: «Кажется, природа создает семена BH разными способами, помимо звездной смерти!»

Дэниел Хольц, теоретик из Чикагского университета, изучающий черные дыры, сказал: «Прия обнаружила чрезвычайно захватывающую черную дыру, если это правда».

Он добавил: «Он просто слишком велик и слишком преждевременен. Это все равно, что заглянуть в класс детского сада и увидеть среди всех пятилетних детей рост 150 фунтов и/или шесть футов».

Согласно истории, которую астрономы рассказывали 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 в черные дыры, массивные от 10 до 100 раз массивнее Солнца.

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

Космический телескоп Джеймса Уэбба, запущенный два года назад в это Рождество, был предназначен для проверки этой идеи. Он обладает самым большим зеркалом в космосе диаметром 21 фут. Что еще более важно, он был разработан для регистрации инфракрасных волн света самых далеких и, следовательно, самых ранних звезд во Вселенной.

Но как только новый телескоп был направлен на небо, он увидел новые галактики, настолько массивные и яркие, что они превзошли ожидания космологов. Последние пару лет бушуют споры о том, действительно ли эти наблюдения угрожают давней модели космоса. Модель описывает Вселенную как состоящую из следов видимой материи, поразительного количества «темной материи», которая обеспечивает гравитацию, удерживающую галактики вместе, и «темной энергии», раздвигающей эти галактики.

Открытие UHZ-1 представляет собой переломный момент в этих дебатах. Готовясь к будущему наблюдению с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба массивного скопления галактик в созвездии Скульптора, команда доктора Натараджана запросила время в рентгеновской обсерватории НАСА «Чандра». Масса скопления действует как гравитационная линза, увеличивая объекты, находящиеся далеко позади него в пространстве и времени. Исследователи надеялись увидеть с помощью рентгеновских лучей то, что может увидеть линза.

Они обнаружили квазар, питаемый сверхмассивной черной дырой, примерно в 40 миллионов раз массивнее Солнца. Дальнейшие наблюдения телескопом Уэбба подтвердили, что она находится на расстоянии 13,2 миллиарда световых лет от нас. (Скопление Скульптора находится на расстоянии около 3,5 миллиардов световых лет от нас.) Это был самый далекий и самый ранний 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 Центра астрофизики Гарвардского и Смитсоновского института. «Мы также воспользовались преимуществами космического увеличительного стекла, которое увеличило количество обнаруженного нами света».

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

Был ли другой способ создать еще большие черные дыры? В 2017 году доктор Натараджан предположил, что коллапсирующие облака первичного газа могли породить черные дыры, более чем в 10 000 раз массивнее Солнца.

«Тогда вы можете представить, как одна из них впоследствии превращается в эту молодую, не по годам развитую черную дыру», — сказал доктор Хольц. В результате, отметил он, «в каждый последующий момент истории Вселенной всегда будут возникать удивительно большие чёрные дыры».

Доктор Натараджан сказал: «Тот факт, что в начале жизни они были сверхмассивными, означает, что они, вероятно, в конечном итоге разовьются в сверхмассивные черные дыры». Но никто не знает, как это работает. Черные дыры составляют 10 процентов массы раннего квазара UHZ-1, тогда как они составляют менее одной тысячной процента массы современных галактик, таких как гигантская Мессье 87, чья черная дыра весила 6,5 тонны. миллиардов солнечных масс когда его снимок был сделан телескопом Event Horizon в 2019 году.

Это говорит о том, что сложные эффекты обратной связи с окружающей средой доминируют в росте и эволюции этих галактик и их черных дыр, вызывая увеличение их массы в звездах и газе.

«Таким образом, эти чрезвычайно ранние OBG действительно передают гораздо больше информации и освещают физику посева, а не более поздний рост и эволюцию», — сказал доктор Натараджан. Она добавила: «Хотя они имеют важные последствия».

Доктор Хольц сказал: «Конечно, было бы здорово, если бы это оказалось именно тем, что происходит, но я искренний агностик». Он добавил: «Это будет увлекательная история, независимо от того, как мы разгадаем тайну ранних больших черных дыр».