Почему существуют гигантские черные дыры в галактиках?

 

В стандартной картине галактики образуются первыми. Позже возникают гигантские черные дыры, находящиеся в сердцевинах большинства, если не всех, галактик.

 

Сценарий: сердцевины первых галактик — меньших, чем сегодняшние, — набиты звездами. Они взорвались и оставили черные дыры, которые столкнулись/слились.

 

В переполненной ранней Вселенной галактики сталкивались, формируя большие галактики. В этом процессе центральные черные дыры сливались, становясь еще больше.

 

За последние 10 млрд лет такие «сверхмассивные» черные дыры (СМЧД) продолжали расти, пожирая газ и звезды вокруг галактик.

 

Проблемы со сценарием: хаотичность. Не объясняет, почему центральные дыры неизменно составляют 1/700 массы первичного галактического материала центральной звездной выпуклости.

 

Возможное объяснение: «струи». Сверхмассивные черные дыры вращаются и часто выпускают тонкие нити струй материи из своих полюсов (осей вращения).

 

Струи, как полагают, управляются, удерживаясь энергией магнитного поля, которая жестко скручивает их в супергорячий «аккреционный диск», вращающийся вокруг черной дыры.

 

Когда струи формируются, они сдувают газ — сырье для новых звезд, — препятствуя образованию звезды, что может объяснить величину отношения массы СМЧД и массы выпуклости.

 

Но некоторые, в том числе Джозеф Силк (Joe Silk) в Оксфорд думают, что сценарий развивался в обратном направлении, галактики создают СМЧД, а наоборот, галактики создаются сверхмассивными черными дырами.

 

По мнению Силка, после Большого взрыва остывшие обломки сгустились в гигантских облаках газа — предшественниках галактик, но оставались там, ничего не делая.

 

Ядра некоторых из них были настолько плотными, что сжались из-за собственной гравитации и сформировали сверхмассивные черные дыры. Тогда включились струи, рассекая пространство на миллионы световых лет.

 

Там, где струи врезались в инертное газовое облако, они сжали газ, запуская источники формирования звезд — создавая новую галактику.

 

Доказательство: квазар НЕ0450–2958, плавающий в пространстве, примерно в 23 000 световых лет от галактики (приблизительное расстояние Солнца от центра Млечного Пути).

 

НЕ0450–2958, похоже, не имеет никакой окружающей галактики. Известен как «голый квазар»[26] — СМЧД, плавающая одиноко в пустоте.

 

Важно отметить, что струя от голого квазара ударяет как лазерный луч в галактику. Некоторые полагают, что струя квазара родила галактику.

 

Как гигантские черные дыры стали настолько большими так быстро?

 

Некоторые из наиболее отдаленных квазаров, которые образовались вскоре после Большого взрыва, уже содержали черные дыры с 10 млрд масс Солнца.

 

Существование чудовищных черных дыр в столь ранней истории Вселенной ставит сложный вопрос: как они стали настолько большими так быстро?

 

В стандартной картине черные дыры звездных масс в первых галактиках объединились в большие дыры. При столкновении галактик их дыры объединялись.

 

Такой многоступенчатый процесс должен был действительно протекать очень быстро, чтобы объяснить присутствие чудовищных черных дыр уже в самых далеких квазарах.

 

Американский астрофизик Митчелл Бегельман предложил альтернативный и более быстрый возможный путь создания сверх-массивных черных дыр.

 

Глубоко внутри облако сжимается, образуя одну из первых галактик, газ становится настолько плотным, что формируется гигантская черная дыра — без предварительного формирования звезд.

 

Центральная черная дыра быстро растет, питаясь окружающим газом, который поставляется ей с высокой скоростью, так как газовое облако все еще сжимается.

 

В сценарии имеется гигантский пылающий газовый шар — который Бегельман называет «квазизвездой» — с растущей черной дырой, скрытой в нем.

 

Обычно, если ЧД становится большой, ее тепло сдувает окружающий газ, ограничивая рост. Но черная дыра Бегельмана может расти с потрясающей скоростью.

 

Как оса-паразит в хозяине-гусенице, говорит Бегельман, черная дыра постепенно съедает газ, выходя из своего кокона.

 

В конечном счете сдуваются последние лоскутки окружающего газа. Вуаля, возникает полностью сформированная гигантская черная дыра.

 

Подтвердить сценарий будет проблемой. Однако такие квазизвезды выбрасывают огромное количество тепла (инфракрасный свет).

 

Возможно, что они будут обнаружены с помощью телескопа Джеймса Вебба (James Webb), который будет создавать инфракрасное изображение; он должен быть запущен в 2018.

 

Каковы самые крупные образования во Вселенной?

 

100 млрд галактик Вселенной не распределены равномерно по всему пространству. Вместо этого они толпятся вместе в скоплениях, или «кластерах».

 

Но так же как галактики теснятся в скоплениях, сами галактические скопления собираются в еще большие «сверхскопления».

 

Млечный Путь входит в собрание из ~30 галактик, называемых Местной Группой. Она присоединена к местному сверхскоплению, называемому Скоплением Девы.

 

Но даже сверхскопления не распределены равномерно по всей Вселенной. Они также прижимаются друг к другу в еще больших агломерациях.

 

Местами, соединяясь в огромные цепи, сверхскопления змеятся в пространстве; в других областях сверхскопления образуют завесы, или «стены» в космосе.

 

Великая стена Слоуна имеет массу около 10 000 нормальных галактик и простирается на 1,4 млрд световых лет (1/60 диаметра наблюдаемой Вселенной).

 

Великая стена Слоуна даже занесена в 2006 в Книгу рекордов Гиннесса как «самая крупномасштабная структура во Вселенной».

 

Существование крупных структур в начале космической истории, вероятно, представляет собой проблему для астрономии. Как они могли сформироваться так быстро после Большого взрыва?

 

Крупные структуры являются следствием случайных «квантовых флуктуаций» энергии в первую долю секунды жизни Вселенной увеличенных до огромных размеров.

 

Поразительно, но крупнейшие галактические группировки в сегодняшней Вселенной зародились в Большом взрыве из начальных структур, меньших одного атома.