Чёрные дыры – самые массивные известные нам объекты во Вселенной. Не чёрная дыра звёздной массы, не сверхмассивная чёрная дыра (СМЧД), а ультрамассивная чёрная дыра (УМЧД). УМЧД располагаются в центрах галактик, как и сверхмассивные ЧД, но их масса превышает пять миллиардов солнечных масс, поразительно большое количество массы. Самая большая чёрная дыра, о которой мы знаем, – это Phoenix A, УМЧД с массой до 100 миллиардов солнечных.
Как что-то может вырасти до таких размеров?
УМЧД редки и неуловимы, и их происхождение неясно. Команда астрофизиков, работающая над этим вопросом, использовала моделирование, чтобы помочь раскрыть процессы формирования этих массивных объектов. Они проследили происхождение УМЧД до космического полудня Вселенной около 10–11 миллиардов лет назад.
Их статья называется “Ультрамассивные чёрные дыры, образованные слиянием тройных квазаров с z=2”, и она была опубликована в The Astrophysical Journal Letters. Ведущим автором является Юин Ни, научный сотрудник Центра астрофизики Гарвардского и Смитсоновского институтов.
“Мы обнаружили, что одним из возможных каналов образования ультрамассивных чёрных дыр является слияние массивных галактик, которое, скорее всего, происходило в эпоху космического полудня”, – сказал Ни.
УМЧД встречаются крайне редко. Создание их в научных симуляциях требует масштабного и сложного моделирования. Тут-то и появляется Астрид. Это крупномасштабный космологический гидродинамический симулятор, работающий на суперкомпьютере Frontera в Техасском университете в Остине. Масштабные симуляции Астрид могут отслеживать такие вещи, как тёмная материя, температура, металличность и нейтральный водород. Симуляции, такие как Астрид, ранжируются по количеству частиц, содержащихся в симуляциях, и Астрид находится в верхней части этого списка.
“Научная цель Астрид – изучить формирование галактик, слияние сверхмассивных чёрных дыр и реионизацию в космической истории”, – сказал ведущий автор Ни в пресс-релизе.
Ни является одним из разработчиков Астрид. Для такого мощного инструмента, как Астрид, нужен мощный суперкомпьютер. К счастью, в UT Austin находится самый мощный академический суперкомпьютер в США.
“Frontera – единственная система, которую мы использовали для Астрид с первого дня. Это чистая симуляция, работающая на Frontera”, – говорит Ни.
Астрономы знают, что галактики увеличиваются в размерах в результате слияний, и вполне вероятно, что в то же время массивнее становятся и их сверхмассивные ЧД. Но УМЧД ещё более массивны и намного реже. Как они формируются?
Работа команды с Астрид дала ответ.
“То, что мы обнаружили, – это три сверхмассивные чёрные дыры, которые собрали свою массу в космический полдень, когда звездообразование, активные галактические ядра и сверхмассивные чёрные дыры в целом достигают своего пика активности”, – сказал Ни.
Космический полдень – важный временной период в истории Вселенной. Астрономы считают, что половина всех звёзд родилась в этот период. Это соответствует красному смещению от z=2 до z=3, или когда Вселенной было от 2 до 3 миллиардов лет. В то время из межгалактической среды в галактики поступало большое количество газа. Галактики сформировали около половины своей звёздной массы во время космического полудня. Поэтому неудивительно, что, как говорит Ни, они обнаружили три УМЧД, которые набрали свою массу во время космического полудня.
“В эту эпоху мы заметили экстремальное и относительно быстрое слияние трёх массивных галактик”, – сказал Ни. “Масса каждой галактики в 10 раз больше массы нашего Млечного Пути, а в центре каждой галактики находится сверхмассивная чёрная дыра. Наши результаты показывают возможность того, что эти триплетные системы квазаров являются прародителями этих редких ультрамассивных чёрных дыр после того, как эти триплеты гравитационно взаимодействуют и сливаются друг с другом”.
Астрофизики определили теоретический верхний предел массы, которую может иметь ультрамассивная чёрная дыра, примерно в 50 миллиардов солнечных масс, и УМЧД после слияния приближается к этому пределу. Но исследователи предупреждают, что симуляция Астрид “… не является рецептом для нового верхнего предела массы чёрной дыры”. Это потому, что симуляции, даже такие мощные, как Астрид, не могут разрешить детали физических процессов аккреции чёрных дыр в масштабах ниже килопарсеков. В конце концов, Астрид – это крупномасштабная симуляция.
Но если симуляция верна, то массивные скопления галактик в локальной Вселенной могут содержать ультрамассивные чёрные дыры того же размера, что и в симуляции.
Только лучшие наблюдения могут подтвердить эти выводы. JWST был создан для исследования ранней Вселенной и разгадывания некоторых её тайн, и он уже делает успехи. По словам Ни, работа команды с Астрид поможет JWST.
Кроме того, будущая космическая обсерватория гравитационных волн LISA даст нам гораздо лучшее понимание того, как эти массивные чёрные дыры сливаются.