Как да създадем черна дупка от въздух

Колко начина има да напуснеш тази вселена?

Може би най-известният режисьор включва смъртта на звезда. През 1939 г. физикът Дж. Робърт Опенхаймер и неговият ученик Хартланд Снайдер от Калифорнийския университет в Бъркли откриха, че когато на достатъчно масивна звезда свърши термоядреното гориво, тя колабира навътре и продължава да колабира завинаги, свивайки пространството, времето и пространството. Светлината се превръща в това, което днес се нарича черна дупка.

Но се оказва, че мъртва звезда може да не е необходима, за да се образува черна дупка. Вместо това, поне в ранната вселена, гигантски облаци от първичен газ може да са се срутили директно в черни дупки, заобикаляйки милионите си години звезден живот.

Това е условното заключение, до което наскоро достигна група астрономи, изучаващи UHZ-1, петно ​​от светлина, датиращо малко след Големия взрив. Всъщност UHZ-1 е (или е бил) мощен квазар, който изстрелва огън и рентгенови лъчи от свръхмасивна черна дупка преди 13,2 милиарда години, когато Вселената не е била дори на 500 милиона години.

От космологична гледна точка това е необичайно близо, тъй като свръхмасивна черна дупка може да възникне чрез колапс и сливане на звезди. Приямвада Натараджан, астроном от Йейлския университет и водещ автор на Статия, публикувана в списание Astrophysical LettersТя и нейните колеги потвърждават, че са открили в UHZ-1 нов небесен тип, който наричат ​​свръхмасивна галактика черна дупка или OBG. В основата си OBG е млада галактика, закотвена от черна дупка, която е станала много голяма, много бързо. .

Откриването на този ранен квазар може да помогне на астрономите да разрешат свързана мистерия, която ги озадачава от десетилетия. Изглежда, че почти всяка видима галактика в съвременната вселена съдържа в центъра си свръхмасивна черна дупка, милиони или милиарди пъти по-голяма от масата на Слънцето. Откъде са дошли тези чудовища? Възможно ли е обикновените черни дупки да растат толкова бързо?

Д-р Натараджан и нейните колеги предполагат, че UHZ-1 и може би много свръхмасивни черни дупки са започнали като първични облаци. Тези облаци може да са се срутили в зърна, които са били преждевременно тежки, достатъчно, за да започнат растежа на масивни галактики с черни дупки. Това е още едно напомняне, че вселената, която виждаме, се управлява от невидима геометрия на тъмнината.

„Като първия кандидат за OBG, UHZ-1 предоставя убедителни доказателства за образуването на тежки прото-семена от директен колапс в ранната Вселена“, пишат д-р Натараджан и нейните колеги. „Изглежда, че природата създава BH семена по много начини“, добави тя в имейл, „отвъд смъртта на звездите!“

„Брия откри много интересна черна дупка, ако това е вярно“, каза Даниел Холц, теоретик от Чикагския университет, който изучава черните дупки.

Той добави: „Просто е твърде голямо и твърде рано. Все едно да погледнете в класна стая на детска градина и сред всички 5-годишни има едно, което е високо 150 паунда и/или шест фута.

Според историята, която астрономите продължават да си разказват за еволюцията на Вселената, първите звезди са кондензирани от облаци от водород и хелий, останали от Големия взрив. Те изгарят горещо и бързо, бързо експлодират и се срутват, образувайки черни дупки с маса от 10 до 100 пъти по-голяма от масата на Слънцето.

През вековете последователни поколения звезди са се образували от пепелта на предишни звезди, обогатявайки химията на Вселената. Черните дупки, останали след смъртта им, продължиха да се сливат и растат по някакъв начин, образувайки свръхмасивни черни дупки в центровете на галактиките.

Космическият телескоп Джеймс Уеб, изстрелян преди две години тази Коледа, беше предназначен да тества тази идея. Има най-голямото огледало в космоса, с диаметър 21 фута. Най-важното е, че той е проектиран да записва инфрачервените дължини на вълните, излъчвани от светлината на най-отдалечените и следователно най-старите звезди във Вселената.

Но след като новият телескоп беше насочен към небето, той можеше да види нови галактики, толкова масивни и ярки, че опровергаха очакванията на космолозите. През последните две години бушуваха спорове дали тези наблюдения действително заплашват дългогодишен модел на Вселената. Моделът описва Вселената като състояща се от следа от видима материя, удивителни количества „тъмна материя“, която осигурява гравитация за свързване на галактиките заедно, и „тъмна енергия“, която раздалечава тези галактики.

Откриването на UHZ-1 представлява инфлексна точка в тези дискусии. За да се подготви за бъдещи наблюдения с космическия телескоп Джеймс Уеб на масивен клъстер от галактики в съзвездието Скулптор, екипът на д-р Натараджан поиска време в рентгеновата обсерватория Чандра на НАСА. Масата на клъстера действа като гравитационна леща, увеличавайки обектите зад нея в пространството и времето. Изследователите се надяваха да получат рентгенова снимка на каквото и да вижда обективът.

Това, което откриха, беше квазар, захранван от свръхмасивна черна дупка с маса около 40 милиона пъти по-голяма от масата на Слънцето. Допълнителни наблюдения от телескопа Webb потвърдиха, че е на 13,2 милиарда светлинни години. (Клъстерът на скулптора се намира на около 3,5 милиарда светлинни години.) Това беше най-далечният и най-старият квазар, откриван някога във Вселената.

„Нуждаехме се от Уеб, за да намерим тази забележително далечна галактика, и от Чандра, за да открием нейната свръхмасивна черна дупка“, каза Акос Богдан от Центъра за астрофизика Харвард-Смитсониън в прессъобщение. „Ние също се възползвахме от космическа лупа, която увеличи количеството светлина, което открихме.“

Резултатите показват, че свръхмасивни черни дупки са съществували 470 милиона години след Големия взрив. Това не е достатъчно време, за да позволи на черните дупки, създадени от първото поколение звезди – вариращи от 10 до 100 слънчеви маси – да станат толкова големи.

Имаше ли друг начин да се образуват по-големи черни дупки? През 2017 г. д-р Натараджан предположи, че колапсът на първичните газови облаци може да доведе до появата на черни дупки 10 000 пъти по-масивни от Слънцето.

„След това можете да си представите как един от тях по-късно расте, за да образува тази малка, ранна голяма черна дупка“, каза д-р Холц. В резултат на това той отбеляза: „Във всеки следващ момент от историята на Вселената винаги ще има някои изненадващо големи черни дупки“.

„Фактът, че тези обекти започват с хипермасивни животи, означава, че те в крайна сметка ще се превърнат в свръхмасивни черни дупки“, каза д-р Натараджан. Но никой не знае как работи това. Черните дупки съставляват 10% от масата на ранната квазарна звезда UHZ-1, докато съставляват по-малко от една хилядна от масата на съвременните галактики като гигантската галактика Messier 87, чиято черна дупка има маса от 6,5 маси. Един милиард слънчеви маси, когато изображението му е направено от телескопа Event Horizon през 2019 г.

Това предполага, че ефектите от сложните екологични обратни връзки доминират растежа и еволюцията на тези галактики и техните черни дупки, което ги кара да натрупват повече маса в звезди и газ.

„Всъщност тези ранни OBG предават и осветяват повече информация за физиката на семето, отколкото за последващия растеж и развитие“, каза д-р Натараджан. „Въпреки че има важни последици“, добави тя.

„Със сигурност би било страхотно, ако това се окаже, че се случва, но наистина не знам“, каза д-р Холц. „Това ще бъде завладяваща история, независимо от това как ще бъде разрешена мистерията на ранните големи черни дупки“, добави той.