Астрономы начали охоту за гигантскими черными дырами

Черные дыры могут стать большими. Очень большими. Но насколько? Возможно, они будут в триллион раз массивнее Солнца. Это в 10 раз больше, чем самая большая из известных пока черных дыр.

Но могут ли эти монстры действительно существовать в нашей Вселенной? Группа исследователей разработала план охоты за ними. И если они существуют, они могут помочь нам разгадать загадки того, как первые звезды появились в космосе.

Если вы хотите найти черные дыры во Вселенной, к сожалению, у вас есть только два основных размера: маленький и гигантский.
Маленькие черные дыры или черные дыры звездной массы массивнее нашего Солнца, но не намного. Поскольку черные дыры рождаются в результате гибели массивных звезд на заключительных стадиях взрыва титанической сверхновой, а массивные звезды должны быть такими большими, чтобы стать полностью сверхновыми, самые маленькие черные дыры примерно в пять раз массивнее нашего Солнца. Благодаря слияниям с другими черными дырами и медленному питанию любыми случайными кусочками газа, которые блуждают слишком близко к их вечно голодным ртам, эти черные дыры могут увеличиваться. Мы видели доказательства существования черных дыр, масса которых почти в 100 раз превышает массу Солнца. Черные дыры звездной массы невероятно распространены во Вселенной - их, вероятно, сейчас плавают миллионы вокруг галактики Млечный Путь. Довольно безобидно, если не подойти слишком близко.

То же самое верно и для любой другой случайной галактики во Вселенной: множество маленьких черных дыр, оставшихся от всех этих больших красивых звезд.  Но в центрах галактик есть нечто еще более безумное: сверхмассивные черные дыры. У нас есть сверхмассивная черная дыра в центре Млечного Пути, и мы называем ее Стрелец A *. Его масса примерно в 4 миллиона раз больше массы Солнца. Эти звери легко в тысячу раз массивнее своих звездных собратьев.

Кажется, что почти каждая галактика содержит гигантскую черную дыру в своем сердце, причем самые большие черные дыры за всю историю наблюдений склоняют чашу весов к почти 100 миллиардам солнечных масс. Астрономы уже давно охотятся за черными дырами меньше пяти солнечных масс. Но новая статья, опубликованная 18 августа в базе препринтов arXiv (так что еще не прошедшие рецензирование), возникает вопрос совершенно иного рода: что, если мы возьмем самые большие черные дыры и увеличим их в 11 раз?

Этот совершенно новый класс черных дыр затмил бы сверхмассивные. Эти “невероятно большие черные дыры“ начнутся с триллиона солнечных масс (в 10 раз больше, чем самая большая из ныне известных черных дыр) и, возможно, могут быть даже больше. Понятно, что эти монстры среди монстров будут редкостью.

Нашей вселенной сложно создавать большие объекты, потому что вам нужно склеить кучу материала и заставить его осесть и оставаться на месте, а материя не любит этого делать. Тем не менее, существование этих монстров теоретически возможно. И если мы их найдем, это поможет объяснить, сколько типов черных дыр образуется.

Как появляются черные дыры

Первая черная дыра появилась, когда Вселенная была очень молодой, менее миллиарда лет. В течение эонов они сливались, питались и росли, превращаясь в сверхмассивные черные дыры и, возможно, в колоссально большие черные дыры. Но есть предел тому, насколько быстро они могут расти. Чтобы расти за счет слияний, им на самом деле нужно столкнуться с другими черными дырами и проглотить их. Так что, если вокруг не так много других черных дыр, слияния не будут происходить очень часто, и это не будет жизнеспособным путем к величию.

С другой стороны, черные дыры также могут расти, питаясь материалом. Но по мере того как материал падает к горизонту событий (который считается точкой невозврата) черной дыры, он сжимается и нагревается. Это высвобождает излучение, которое выходит из центральных областей около черной дыры и предотвращает попадание нового газа в черную дыру. Сложная физика падения в черную дыру затем устанавливает верхний предел того, насколько быстро черные дыры могут питаться. Самые большие из известных черных дыр бросают вызов современным астрофизическим знаниям.

Трудно придумать сценарий достаточного количества слияний и достаточной подпитки газа, чтобы превратить крошечную детскую черную дыру в раннюю Вселенную в монстров, скрывающихся в ядрах галактик. Обнаружение огромной черной дыры заставит нас задуматься о новых способах рождения черных дыр.

Возможно, первые и самые большие черные дыры возникли не в результате смерти массивных звезд. Возможно, они образовались непосредственно в результате коллапса газовых облаков или в результате экзотических процессов в ранней Вселенной. Или что-то еще более странное.

Вот почему открытие колоссально большой черной дыры было бы таким захватывающим: теоретики радостно потирали бы руки, готовые придумать им объяснение.

В поисках монстров

Но как на самом деле найти супергигантскую черную дыру? Новая исследовательская работа дает представление о том, как ходить на охоту.

Во-первых, из-за своего огромного размера огромные черные дыры (SLAB) могут действительно влиять на гравитационную эволюцию своих родных галактик. Даже сверхмассивные черные дыры, какими бы большими они ни были, обычно составляют менее 1% массы их родительских галактик. Но поскольку плиты SLAB больше, они могут начать оказывать гравитационное влияние. Например, при такой большой гравитации в ядре могут быть искажены формы галактик или что гравитация может изменить способ слияния галактик.

Таким образом, SLAB могли объяснить любые странные вещи на изображениях галактик. И если SLAB берут начало в экзотической физике чрезвычайно ранней Вселенной, то по мере того, как они заселяют космос и продолжают расти до колоссальных размеров, они оставят отпечаток в своем окружении.

Например, они могут притягивать так много вещества, что влияют на космический микроволновый фон - свет, оставшийся от того, когда наша Вселенная впервые стала прозрачной, когда ей было всего 380000 лет.

SLAB могут накапливать так много вещества и так хорошо поглощать все, что находится поблизости, что даже таинственная темная материя может собираться вокруг них в своего рода ореол. Если темная материя (что бы она ни была) взаимодействует сама с собой, она может испускать очень специфическое излучение. Итак, эти сверхгигантские черные дыры могут быть окружены ореолом высокоэнергетического света, генерируемого темной материей.

Пока мы не знаем, существуют ли SLAB, и все вышеперечисленные методы только наложили ограничения на то, насколько они могут быть большими. В зависимости от вашего выбора модели того, как появились SLAB, наше текущее наилучшее предположение состоит в том, что самая большая возможная черная дыра имеет массу около 10 ^ 19 солнечных масс, или в 10 миллиардов миллиардов раз массивнее Солнца. Все, что больше этого, нарушило бы то, что мы уже измерили в космосе.Но это по-прежнему оставляет широко открытый пробел потенциальной SLABiness в нашей Вселенной.