Черные дыры формируются в процессе смерти звезды, позволяющей материи сворачиваться в крайне плотный объект, из которого даже свету не удается вырваться. Ученые считают, что массивные черные дыры способны создаваться при рождении галактики, но никому не удавалось заглянуть в далекое прошлое, чтобы наблюдать за условиями для прямых коллапсирующих черных дыр (DCBH).
У космического телескопа Джеймс Уэбб, запланированного к запуску в 2021 году, появится возможность заглянуть в раннюю Вселенную, чтобы рассмотреть галактику с зарождающейся массивной черной дырой. Сейчас же мы располагаем симуляцией, созданной исследователями из Технологического института Джорджии. Она показывает, что нужно искать при будущих обзорах DCBH.
Первая подобная симуляция предполагает, что формирование таких черных дыр будет сопровождаться особыми видами интенсивного излучения, включая рентгеновские и УФ-лучи, смещающиеся к ИК-свету при подходе к телескопу. Удивило и то, что черные дыры могли создать гигантские звезды, свободные от металлов.
В центре многих крупных галактик находятся сверхмассивные черные дыры, за процессом формирования и роста которых нельзя было наблюдать. Поэтому возникло предположение, что они могли появиться при галактическом рождении. Тогда формирование DCBH было бы инициировано коллапсом большого газового облака во время раннего создания галактики. Но важно понимать, что именно нужно искать в спектрах с помощью будущего телескопа.
На создание черной дыры может уйти миллион лет. Суперкомпьютер Stampede позволил запустить симуляцию, фокусирующуюся на последствиях формирования DCBH. Моделирование основывалось на первых физических принципах, вроде гравитации, радиации и гидродинамики.
Если сначала формируется галактика, а затем черная дыра в центре, то должен фигурировать один тип подписи. Но что, если первой появится черная дыра? Ученые хотели понять, стоит ли ожидать каких-то других физических отличий. Моделирование вывело сведения о плотности и температуре, чтобы предсказать, что именно будет видеть телескоп.
Черные дыры тратят около миллиона лет на формирование. В моделировании DCBH первый шаг включает в себя коллапс газа в сверхмассивную звезду (в 100000 раз массивнее Солнца). Затем звезда подвергается гравитационной нестабильности и сворачивается в себя, создавая массивную черную дыру. Радиация из черной дыры запускает формирование звезд в течение 500000-летнего периода.
Звезды первого поколения кажутся более массивными, так как живут намного меньше. В первые 5-6 млн. лет они взрываются в качестве сверхновых. После этого черная дыра успокаивается, что приводит к противостоянию между ЭМ-лучами и собственной гравитацией. Эти циклы охватывают еще 20-30 млн. лет.
Черные дыры распространены в пространстве, поэтому ученые надеются, что достаточное количество снимков позволит поймать один из этих типов. Таким образом, можно будет глубже разобраться в процессе галактической эволюции.
Исследователей удивило формирование звезд вокруг DCBH, но в ретроспективе это кажется логичным. Созданная ионизация приведет к фотохимическим реакциям, способным запустить звездное рождение. Это одна из крупных вселенских загадок, поэтому исследователи надеются, что их работа приведет к долгожданным ответам.