Image Image Image Image Image Image Image Image Image Image

Новости астрономии и астрофизики – The Universe Times | 19.04.2019

Scroll to top

Top

Нет комментариев

Учёным удалось создать симуляцию рождения чёрной дыры

Учёным удалось создать симуляцию рождения чёрной дыры

Свет, излучаемый вокруг первых массивных чёрных дыр вселенной, настолько интенсивен, что способен достичь телескопов независимо от того, в какой части космического пространства был источник излучения. Это может показаться невероятным, но свет от самых далёких чёрных дыр (или квазаров) путешествует к нам уже более 13 миллиардов световых лет. Однако до сих пор мы не знаем, как образовались эти огромные объекты.

Новые исследования, проводимые под руководством исследователей из Технологического института Джорджии, Городского университета Дублина, Мичиганского государственного университета, Калифорнийского университета в Сан-Диего, специалистов Супервычислительного центра в Сан-Диего и IBM предоставляют новый и чрезвычайно перспективный путь для решения этой космической загадки. Команда показала, что при чрезвычайно быстром, а, зачастую, и бурном росте новых галактик, это может привести к образованию очень массивных чёрных дыр. В этих редких галактиках нормальное звездообразование нарушается, и чёрная дыра доминирует над всеми остальными процессами.

Космическое пространство

Это изображение показывает область в 30000 световых лет от моделирования Renaissance Simulation, сосредоточенную на кластере молодых галактик, которые генерируют излучение (белый) и металлы (зелёный) при нагревании окружающего газа. Гало тёмной материи за пределами этой области нагрева образует три сверхмассивные звезды (во врезке), каждая из которых в тысячу раз больше массы нашего Солнца. Звёзды будут быстро коллапсировать в массивные и, в конечном итоге, сверхмассивные чёрные дыры в течение следующих миллиардов лет. Источник: Advanced Visualization Lab, National Center for Supercomputing Applications

Эта работа показывает, что массивные чёрные дыры формируются в плотных беззвёздных областях, которые быстро растут, переворачивая с ног на голову давно принятое убеждение, что образование таких дыр ограничивается областями, бомбардируемыми мощным излучением близлежащих галактик. Выводы исследования на основе моделирования, опубликованного 23 января в журнале Nature и поддержанного Национальным научным фондом, Европейским Союзом и НАСА, также показывают, что массивные чёрные дыры гораздо чаще встречаются во вселенной, чем считалось ранее.

Основные критерии для определения того, где массивные чёрные дыры образовались во время младенчества вселенной, относятся к быстрому росту догалактических газовых облаков, которые являются предшественниками всех современных галактик. Это означает, что большинство сверхмассивных чёрных дыр имеет общее происхождение. Темная материя распределяется по гало, которое является гравитационным клеем для всех галактик. Ранний быстрый рост этих ореолов предотвратил образование звёзд, которые конкурировали бы с чёрными дырами за поглощение газообразного вещества, поступающего в эту область.

“В этом исследовании мы обнаружили совершенно новый механизм, который вызывает образование массивных чёрных дыр в определённых гало тёмной материи. Вместо того, чтобы просто рассматривать отдельно излучение, нам нужно посмотреть на то, как быстро растут гало. Нам не нужно знать так много физики, чтобы понять это. Нам просто необходима информация о том, как тёмная материя распределена и как гравитация может влиять на это распределение. Формирование массивной чёрной дыры требует нахождения в редкой области с интенсивной конвергенцией вещества”.

По словам Джона Ригана, научного сотрудника Центра астрофизики и теории относительности Городского университета Дублина, когда, в ходе моделирования, исследовательская группа обнаружила эти места образования чёрных дыр, она сначала оказалась в тупике. Ранее принятая парадигма заключалась в том, что массивные чёрные дыры могут образовываться только при воздействии очень мощного близлежащего излучения.

“Предыдущие теории предполагали, что это должно произойти только тогда, когда области их образования подвергались сильному изучению, полностью перекрывающему все процессы звездообразования. Углубившись в анализ, мы увидели, что эти участки переживают период чрезвычайно быстрого роста. Это было ключевым моментом. Бурный и взрывной характер быстрой сборки галактики, сильные столкновения во время её рождения предотвратили нормальное звездообразование и привели к созданию идеальных условий для образования чёрной дыры. Это исследование отодвигает на второй план предыдущую парадигму и открывает совершенно новую область исследований”.

“Более ранняя теория опиралась на интенсивное ультрафиолетовое излучение из близлежащей галактики, способное препятствовать образованию звёзд в гало, образующем чёрные дыры. Хотя ультрафиолетовое излучение всё ещё является воздействующим фактором, наша работа показала, что этот фактор не доминирующий, по крайней мере, в наших симуляциях”, – Майкл Норман, директор Супервычислительного центра Сан-Диего в Калифорнийском университете и один из авторов работы.

Исследование было основано на модели Renaissance Simulation – 70-терабайтном наборе данных, созданном на суперкомпьютере Blue Waters между 2011 и 2014 годами, чтобы помочь учёным понять то, как вселенная развивалась в первые годы своего существования. Чтобы узнать больше о конкретных регионах, где, вероятно, будут развиваться массивные чёрные дыры, исследователи изучили данные моделирования и нашли десять конкретных гало тёмной материи, которые, с учётом их массы, должны были образовать звёзды, но содержали только плотное газовое облако. Используя суперкомпьютер Stampede2 исследователи затем повторно смоделировали два из этих гало – каждое из них имеет около 2400 световых лет в поперечнике – с гораздо более высоким разрешением, чтобы понять детали того, что происходило в них спустя всего лишь 270 миллионов лет после большого взрыва.

Космическое пространство

Это изображение показывает область гало тёмной материи протяжённостью в 30 световых лет в скоплении молодых галактик. Вращающийся газовый диск распадается на три сгустка, которые разрушаются под действием собственной гравитации и образуют сверхмассивные звёзды. Источник: John Wise, Georgia Institute of Technology

“Только в этих чрезмерно плотных областях вселенной мы увидели то, как формируются эти чёрные дыры. Тёмная материя ответственна за большую часть гравитации, а затем газ попадает в этот гравитационный потенциал, где может образовывать звёзды или массивную чёрную дыру”.

Renaissance Simulation является наиболее полным моделированием ранних стадий гравитационного объединения первородного газа, состоящего из водорода и гелия, и холодной тёмной материи, ведущей к образованию первых звёзд и галактик. Исследователи использовали метод, известный как адаптивное уточнение сетки, для увеличения точности и разрешения плотных сгустков, образующих звёзды или чёрные дыры. Кроме того, в моделирования была охвачена достаточно большая область ранней вселенной, чтобы сформировать тысячи таких объектов. Это требование является необходимым для того, если вы интересуетесь редкими объектами.

“Высокое разрешение, разнообразная физика и большое количество коллапсирующих гало были необходимы для достижения этого результата”.

Увеличенное разрешение моделирования, выполненного для двух регионов-кандидатов, позволило учёным увидеть турбулентность и приток газа и сгустков вещества, образующихся по мере того, как зародыши чёрных дыр начали уплотняться и вращаться. Их темпы роста были невообразимыми.

“Астрономы наблюдают сверхмассивные чёрные дыры, которые выросли до миллиарда солнечных масс всего за 800 миллионов лет. Для этого в этом регионе требовалось интенсивное сближение масс. А такого поведения можно было бы ожидать там, где галактики формировались в очень ранние времена”.

Другой аспект исследования заключается в том, что гало, порождающие чёрные дыры, могут быть более распространёнными, чем считалось ранее.

“Интересным результатом этой работы является открытие того, что эти типы гало хоть и являются редкими, но могут быть распространены достаточно широко. Мы утверждаем, что этого сценария будет достаточно, чтобы гало стало источником самых массивных чёрных дыр, которые наблюдаются как в начале жизни вселенной, так и в галактиках в настоящее время”, – Брайан О’Ши, профессор Мичиганского государственного университета.

Будущая работа с этими моделями будет посвящена жизненному циклу этих массивных чёрных дыр: изучению образования, роста и эволюции первых массивных объектов по временной шкале.

“Наша следующая цель – исследовать дальнейшую эволюцию этих экзотических объектов. Где сегодня эти чёрные дыры? Можем ли мы обнаружить их в локальной вселенной или с помощью гравитационных волн?”.

Для этих новых ответов, исследовательская группа и может вернуться всё к той же симуляции.

“Renaissance Simulation достаточно богато данными, чтобы можно было сделать другие открытия, используя уже вычисленные результаты. По этой причине мы создали публичный архив под названием Renaissance Simulations Laboratory, где другие исследователи могут заниматься решением собственных вопросов”.

По информации Технологического института Джорджии.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Оставьте комментарий

Добавить комментарий

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru Лицензия Creative Commons «The Universe Times» Google