Первичные черные дыры могли ускорить раннее звездообразование

Фото из открытых источников

Поиск темной материи требует всех лучших моделей, теорий и идей, которые мы можем в него вложить. Новая статья Джулии Моники Кулен, Стефано Профумо и Нолана Смита из Калифорнийского университета в Санта-Круз (UCSC) рассматривает размеры и распространенность одного из наиболее интересных кандидатов на темную материю — первичных черных дыр (PBH).

В исследованиях ранней Вселенной образование первых звезд стало вехой, которая проливает свет на все остальное время, как в переносном, так и в прямом смысле. Астрофизики называют эти первые звезды звездами населения III. В другом удивительно странном повороте астрономических названий они называются так потому, что они были третьим типом звезд, которые были обнаружены, с молодыми «богатыми металлами» звездами, такими как наше Солнце, составляющими «население I», и более старыми, «бедными металлами» звездами, составляющими «население II». Звезды населения III, с другой стороны, были бы полностью свободны от металлов, поскольку процесс синтеза, необходимый для создания элементов, считающихся «металлами» в звездах (т. е. всего, кроме водорода), еще не сформировался.

Поскольку мы никогда напрямую не наблюдали звезды населения III, мы знаем о них очень мало. Но мы все еще можем моделировать их, а также их окружение, чтобы лучше понять и их, и вселенную, в которой они родились. Именно это и пытается сделать статья исследователей из Калифорнийского университета в Санта-Крузе. Мы считаем, что они образовались в области пространства, называемой «минигало», которая в основном состояла из темной материи, поэтому ученые искали, из чего на самом деле состояли эти минигало.

PBH являются одними из главных кандидатов и могли либо составить, либо, по крайней мере, взаимодействовать с этими гало темной материи. Понимание влияния этих сингулярностей на формирование самых ранних звезд может дать ключ к пониманию того, являются ли они хорошими кандидатами на более масштабное существование «темной материи», которую мы все еще видим влияющей на гравитационную эволюцию Вселенной сегодня.

Однако их моделирование сложнее, чем кажется. Исследователи UCSC использовали программный пакет GIZMO для моделирования двух основных компонентов ранней Вселенной — гидродинамики и гравитационного сценария N-тел. Гидродинамика пыталась охватить процесс, посредством которого пыль и газ влияли на формирование самых ранних звезд, в то время как N-тело пыталось решить проблему гравитационного влияния стольких крупных тел, быстро движущихся близко друг к другу.

Моделирование началось на очень раннем этапе развития Вселенной и использовало модель Лямбда-холодной темной материи, которую ученые используют в качестве стандартной модели космологии Большого взрыва, с еще одной добавленной библиотекой под названием GRACKLE для обработки динамики охлаждения газа, которая, опять же, оказывает большое влияние на формирование звезд.

В конце всех симуляций исследователи обнаружили две очень разные роли, которые могут играть PBH. Они могут либо действовать как семена, вызывая образование звезд гораздо раньше, чем предсказывалось. Или они могут действовать как подавители, заставляя звездообразование занимать гораздо больше времени, чем изначально предсказывалось.

Если PBH в ранней Вселенной «массивны» (т.е. в 100 или более раз больше Солнца), то они последовательно засеивают раннюю Вселенную звездами быстрее. Они делают это, увеличивая интенсивность флуктуаций плотности, что, в свою очередь, создает больше минигало темной материи, где формируются звезды. Примечательно, что если в ранней Вселенной есть много массивных PBH, первые звезды могут начаться поразительно раньше, чем предсказывают современные модели — хорошее, фальсифицируемое предсказание, которое может быть опровергнуто, как только мы соберем больше данных о звездах Популяции III.

Меньшие PBH — те, что примерно в 10 раз больше массы Солнца — играют более сложную роль в ранней Вселенной. Если их не очень много, эти PBH фактически подавляют образование звезд. Они делают это с помощью «приливного нагрева», то есть повышают температуру газа, который обычно охлаждается, а затем коллапсирует в первые звезды.

С другой стороны, если бы в ранней Вселенной было много мелких PBH, они бы снова ускорили звездообразование, на этот раз за счет своего кумулятивного гравитационного притяжения, известного как эффект Пуассона. По сути, они действуют аналогично массивным PBH — как центр тяжести для слипания газа и пыли вокруг.

Самое замечательное во всех этих симуляциях то, что они предлагают разные способы интерпретации данных, которые мы в конечном итоге соберем о самых ранних звездах. Если они образуются рано, это может быть либо из-за сверхмассивных PBH, либо из-за обилия более мелких объектов. Однако, если будет обнаружено, что первые звезды образовались позже, это станет хорошим аргументом в пользу относительно небольших PBH и всех последствий, которые могут иметь место для поиска темной материи.

В конечном счете, мы не узнаем, пока не соберем больше данных. Космический телескоп Джеймса Уэбба в настоящее время является нашим лучшим выбором для того, как мы сможем это сделать, но ему нужно получить время наблюдений, чтобы сосредоточиться на сборе этих данных. Другие обсерватории, такие как Square Kilometer Array (SKA), могли бы произвести революцию в космологии на 21 см, что было бы ключом к тому, чтобы заглянуть достаточно далеко во Вселенную, чтобы увидеть, когда официально зажглись первые звезды. Когда мы наконец получим эти данные, предсказания, сделанные в этой статье, а также в десятках других, наконец-то будут проверены.