Сверхмассивные черные дыры в центре галактик таят в себе интригующую загадку.
О том, что в центре любой галактики, особенно, крупной, в норме находится сверхмассивная черная дыра массой в сотни тысяч и менее (редко), миллионы (часто), а иногда - и миллиарды масс Солнца, я рассказывал. Если же ее нет то это не значит, что ее там никогда не было - практически наверняка это потому, что она там была и убежала. Серьезно. При мерджинге может произойти (спустя долгое время) слияние центральных черных дыр объединившихся галактик, и при этом получившаяся при слиянии черная дыра может приобрести импульс - подчас, достаточный для того, чтобы вылететь из галактики. И такие черные дыры, несущиеся прочь из галактики, известны.
Представляете? По галактике несется объект массой в миллионы солнечных...
Загадка же заключается в том, что огромные центральные черные дыры появились во Вселенной достаточно рано - так, мощнейший известный квазар и одна из крупнейших известных черных дыр (см.
https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/13868.html) существуют спустя полтора миллиарда лет после Большого взрыва. Самый удаленный из известных квазаров наблюдается в момент времени, соответствующий возрасту Вселенной 770 миллионов лет (ULAS J1120+0641). А вообще, квазаров с красными смещениями z>6 (то есть, когда возраст Вселенной был менее миллиарда лет) и массами черных дыр более миллиарда солнечных известно около полусотни, и рекордсмен - черная дыра квазара SDSS J0100+2802, находящегося на красном смещении z=6,3 (900 миллионов лет с момента Большого взрыва) - имеет массу 12 миллиардов солнечных (при яркости самого квазара, равной 420 триллионам солнечных!).
Одна из самых массивных ныне известных черных дыр - черная дыра в центре блазара S5 0014+813 - существовала всего лишь спустя 1,7 миллиарда лет после рождения Вселенной. Яркость этого блазара составляет около 300 триллионов солнечных, масса его черной дыры - около 40 миллиардов солнечных (или десять тысяч масс сверхмассивной черной дыры в центре нашей Галактики), диаметр горизонта событий - более полутора тысяч астрономических единиц (более двадцати пяти диаметров орбиты Нептуна), диаметр внутренней части окружающего черную дыру аккреционнного диска - полтора десятка световых лет. А рекордсмен по яркости APM 08279+5255 описан здесь:
https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/13868.html.
Окончательного понимания механизма, ответственного за столь быстрое (за считанные сотни миллионов лет с момента начала образования галактик) формирование таких огромных черных дыр, пока нет. "Стандартным способом" за счет аккреции материала на появившуюся, скажем, при взрыве одной из первых сверхновых или иным способом черную дыру звездной массы дорасти до таких размеров за это время черные дыры просто бы не успели. И это подтверждается всеми моделями и расчетами. Впрочем, они бы, возможно, и к нашим временам такие размеры еще не приобрели бы.
Зато в 2019 году удалось доказать, что если бы к началу эпохи реионизации будущие сверхмассивные черные дыры уже имели (откуда-нибудь) массы порядка десятков и сотен тысяч солнечных, то их характеристики (максимальные массы и распределение по массам) прекрасно уложились бы в наблюдаемую картину - как для древних времен, так и для современных. Такие дыры уже могли быстро, за считанные десятки и сотни миллионов, дорасти до наблюдаемых размеров.
То есть, с наблюдениями и теорией согласуется сценарий раннего (в первые двести-триста миллионов лет существования Вселенной) и быстрого, практически, мгновенного (относительно характерных масштабов времени для этой стадии) образования будущих центральных черных дыр галактик, которые почти одномоментно приобрели в те древние времена массы, по крайней мере, в десятки тысяч солнечных.
Остается вопрос: откуда в те времена, когда только образовывались первые звезды, а видимая материя начинала структурироваться в ранние, еще небольшие галактики, могли появляться такие крупные черные дыры.
И как ни странно, на этот вопрос существует несколько различных ответов - таких разумных и правдоподобных, что не только сложно из них выбрать правильный (впрочем, они могут быть правильными все, и первые сверхмассивные черные дыры могли появляться разными способами), но и если в будущем окажется, что описанные в этих ответах сценарии рождения сверхмассивных черных дыр на самом деле не реализовывались, этому придется придумывать какое-то специальное объяснение.
О нескольких возможных сценариях я расскажу.
Сценарий первый.
КвазизвездыЯ рассказывал, что на заре существования Вселенной металлов (элементов тяжелее гелия) во Вселенной еще не было - им неоткуда было взяться. Поэтому облака газа, фрагментируя на протозведные облака в условиях весьма затрудненного теплоотвода, могли порождать только большие звезды. Преимущественно, весьма большие - гипергиганты.
Вселенная в те времена была маленькой, в десятки раз меньше (вернее, плотнее), чем сейчас, так что плотность газовых облаков была вполне достаточной для такого процесса.
И вот тут выясняется, что расчеты показывают для таких условий, имевших место в первые сотни миллионов лет существования Вселенной, гипотетическую возможность появления весьма необычной (для наших условий) ситуации. Вследствие неэффективности теплоотвода излучением в водороде и гелии, о которой я говорил, большие фрагменты газовых облаков массами в сотни солнечных масс не могут фрагментировать на более мелкие и неторопливо сжимаются, формируя будущую гигантскую звезду. Но если такой фрагмент оказывается очень уж большим, то может произойти совершенно неожиданная вещь - плотность и гравитация его огромной (сотни и даже тысячи масс Солнца ) центральной части окажется настолько большой, что сжатие облака не остановится даже после возникновения звезды в центре, то есть, ее лучевое давление на сумеет оттолкнуть падающий на нее газ. Соответственно, газ продолжит падать на вновь сформированного гипергиганта. Более того, возможно, размеры и масса подобных протозвездных облаков в условиях ограниченного теплообмена окажутся настолько велики, что их не сможет рассеять даже закономерно последующий вскоре мощнейший взрыв гиперновой (
https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/5401.html), который должен произойти через несколько миллионов лет после формирования центральной звезды облака (а ее жизнь из-за постоянного прироста массы окажется совсем недолгой). Разумеется, в современных условиях, когда массивные газовые облака такой плотности просто не могут образоваться, такого быть не может - взрывы сверхновых их хотя бы частично рассеивают.
В результате такого события могли формироваться черные дыры, остатки взрыва сверхновой, окруженные плотным облаком газа, падающим на них. В принципе, как нетрудно видеть, это похоже на квазар, только масса центральной черной дыры в описываемом процессе минимум на три порядка меньше, а масса окружающего черную дыру газового облака оказывается намного большей массы самой черной дыры.
Результат такого гипотетического процесса именуется квазизведой - это плотное облако газа (плотность сравнима со средней плотностью крупной звезды) массой в тысячи солнечных масс, в центре которого находится черная дыра массой в десятки масс Солнца. Вещество облака постоянно падает на дыру, увеличивая ее массу, нагревается до колоссальных температур и разогревает остальную массу облака, которое в результате приобретает поверхностную температуру, вполне сходную с температурой звезды (тысячи градусов). Так что, если бы в те времена, тринадцать с половиной миллиардов лет назад и более, на квазизвезду нашлось бы кому посмотреть издали, такой наблюдатель без применения специальных методов мог бы внешне не отличить ее от обыкновенной звезды, если, конечно, не считать полярных джетов, которые она наверняка испускала. Вот только светимость такого объекта не уступала бы светимости небольшой современной галактики, да и диаметр квазизвезды был бы порядка миллиардов километров.
Разумеется, долго такой объект существовать не мог - ориентировочно, за миллион лет черная дыра успела бы раздуться в размерах до десяти и более тысяч масс Солнца, после чего от газового облака, ее формировавшего, осталось бы немногое. А после этого оставшаяся от квазизвезды солидная черная дыра уже выглядела бы как вполне приличный зародыш будущего ядра будущей же галактики и могла начинать формировать это ядро собственным тяготением. Теперь ее рост замедлялся бы - но у нее впереди было много, очень много времени... Возможно, именно тогда и именно так вокруг этих черных дыр начали формироваться ассоциации, которыми суждено будет стать будущими балджами будущих гигантских галактик.
Указанный гипотетический механизм появления квазизвезд на раннем этапе формирования нынешней структуры Вселенной весьма удовлетворительно объясняет, откуда в ней могли достаточно рано появиться зародыши нынешних сверхмассивных черных дыр - ядер галактик, почему они окружены древними балджами, а также почему уже в очень далекие времена, когда галактики еще только появлялись на свет, не менее двадцати процентов инфракрасного излучения во Вселенной определялось аккрецией вещества на черные дыры (что само по себе является интереснейшим фактом).
Расчетная длительность процесса - несколько миллионов лет. Вполне подходит.
Сценарий второй.
Прямой холодный коллапсЭтот сценарий еще проще. В нем сверхмассивные черные дыры могут появиться еще в процессе формирования галактик, при столкновениях протогалактических облаков газа, которые еще только фрагментировали на звезды (напомню, что Вселенная в те времена была намного меньше, чем сейчас, пространства в ней было не так много, и облака могли сталкиваться достаточно часто). Уже на красных смещениях больше z~8-10 (то есть, более 13 миллиардов лет назад) заведомо существовали первые звезды, были они массивными, быстро взрывались сверхновыми и обогащали газ металлами.
И вот оказывается, что при столкновении достаточно плотных крупных и обогащенных металлами на уровне тогдашних протогалактик облаков газа, в их центральной части формируется достаточно плотная газовая структура, похожая на толстый диск (достаточно толстый, чтобы быть непрозрачным для излучения). Всего за несколько десятков тысяч лет за счет собственного притяжения диск высасывает газ из области диаметром в полтора десятка световых лет и набирает массу порядка нескольких десятков или сотен миллионов солнечных. При этом падающий на него газ в любом случае закручивает диск. Опускающийся в центру газ разгоняется до сверхзвуковых скоростей и нагревается до нескольких тысяч градусов, и в результате газовое облако уже не может в таких условиях делиться (фрагментировать) на звезды. Диск продолжает раскручиваться, уплотняться, все больше газа опускается вниз, к его центру, нагреваясь трением и тормозясь - и в конце концов, поскольку по мере уплотнения газа этот процесс все ускоряется, в центральной области диска массой в миллионы (а то и сотни миллионов) солнечных развивается гравитационный коллапс и образуется гигантская черная дыра.
Повторюсь, этот процесс, именуемый холодным прямым коллапсом, может занять всего лишь несколько десятков тысяч лет после столкновения протогалактических облаков. При этом моделирование показывает, что спектр масс появлявшихся в результате прямого холодного коллапса черных дыр вполне удовлетворительно соответствует требуемому наблюдениями.
Сценарий третий.
Звездная бомбардировкаЭтот сценарий опять же начинается с исходных условий древней Вселенной - нулевой металличности газа и высокой плотности.
Протозвездные облака нулевой металличности остаются массивными и плотными, не распадаясь на меньшие фрагменты, как и сказано ранее. Такие облака могут сливаться под действием собственной достаточно значительной гравитации, образуя крупные агломерации (опять же вспоминаем, что в те времена Вселенная была гораздо плотнее, чем сейчас - места в ней было меньше).
При столкновении облаков развивавшиеся в них сгущения - будущие гигантские звезды - начинали быстро сближаться и за счет обыкновенного трения в плотном облаке, и за счет так называемого динамического трения (выравнивания скоростей в системе из многих объектов за счет их гравитационного взаимодействия). И когда в такой агломерации формировались протозвезды (достаточно большой массы), они, как показывают расчеты, могли начать достаточно часто сталкиваться и сливаться. В результате за считанные миллионы или десятки миллионов лет в таком агломерированном облаке формировалась "сверхзвезда", выросшая из многих последовательно слившихся звезд и быстро коллапсировавшая в черную дыру, продолжавшую захватывать то, что не успело слиться с родительским объектом.
Расчеты показывают, что в условиях нулевой металличности массы полученных по этому механизму объектов могли достигать сотен тысяч и миллионов солнечных (несколько выше, чем по ранее описанным сценариям - зато сам процесс тоже мог длиться несколько дольше) - а дальше уже в условиях высокой плотности материи рост черной дыры происходил с большой скоростью.
То есть, очень правдоподобных вариантов ответа на вопрос, откуда во Вселенной взялись сверхмассивные черные дыры, несколько. Один другого краше.