Моделирование образования сверхмассивных черных дыр

Ультрасовременные модели объясняют образование сверхмассивных черных дыр и галактик из разрушающихся газовых облаков ранней Вселенной.

Вблизи края видимой Вселенной находятся ее самые яркие объекты - квазары, в которых есть, как полагают астрономы, сверхмассивные черные дыры. Их масса превышает солнечную больше, чем в 1000000 раз.

Модели Кентаро Нагамине (Kentaro Nagamine), Университет Осаки, отдел Земли и космических исследований, Айзека Шлосмена (Isaac Shlosman), Университет штата Кентукки, и коллег впервые точно показали, как образовались эти черные дыры спустя 700000000 лет после Большого взрыва.

Как возникают звезды

"Ранняя Вселенная была плотной, горячей и однородной плазмой. Поскольку она охладилась, колебания распределения массы сформировали зародыши, вокруг которых под действием силы тяжести могла собраться материя".
Кентаро Нагамине

Так возникли первые звезды. Подобные процессы могли позже вызвать рост крупных структур, например, сверхмассивных черных дыр.

Симуляция ранней Вселенной: сеть волокон темной материи в области с высокой плотностью. Яркие пятна представляют собой гало темной материи, где разрушается газ и рождаются наряду с крупными галактиками сверхмассивные черные дыры Фото: Кентаро Нагамине, Университет Осаки

Как возникают сверхмассивные черные дыры

Еще недавно была общепринятой гипотеза появления сверхмассивных черных дыр вследствие гибели некоторых первых звезд. Но симуляции нескольких групп показали, что этот процесс привел бы только к возникновению малых черных дыр. Нагамине и коллеги имитировали другую ситуацию, в которой сверхмассивные черные дыры рождаются облаками газа, попадающего в потенциальные ямы, созданные невидимой темной материей, составляюще 85% массы Вселенной.

Моделирование динамики огромных газовых облаков чрезвычайно сложно, поэтому команда вынуждена была использовать для упрщения задачи некоторые числовые приемы, так называемые 'sink particles'.

"Хотя у нас есть доступ к чрезвычайно мощным суперкомпьютерам в Кибермедиацентре университета Осаки и Национальной Астрономической Обсерватории Японии, мы не можем симулировать каждую газовую частицу. Вместо этого мы моделируем небольшие пространственные масштабы, используя 'sink particles', которые растут, так как увеличивается окружающий их газ. Это позволяет нам имитировать намного более длительные временные рамки, чем это было возможно раньше".
Кентаро Нагамине

Исследователи обнаружили, что большинство зародышей частиц в их моделях не очень сильно выросли, за исключением одного центрального, масса которого всего за 2000000 лет превысила два миллиона солнечных, что представляет собой реальный путь рождения сверхмассивной черной дыры. К тому же, вращение и распад газа вокруг центрального зародыша сформировало два неровных аккреционных диска, которых раньше никогда не наблюдалось.

В другой недавней работе, Нагамине и коллеги описали рост массивных галактик, сформировавшихся приблизительно одновременно со сверхмассивными черными дырами.

"Мы хотели бы отодвинуть границу того, насколько далеко назад во времени мы можем заглянуть".
Кентаро Нагамине

Исследователи надеются, что их расчеты будут подтверждены реальными данными Космического телескопа Джеймса Уэбба, который должен быть запущен в 2018 году и сможет обнаруживать далекие источники, где непосредственно происходит коллапс газа.

Источник: resou.osaka-u.ac.jp