Пылевые диски вокруг черных дыр могут быть секретными планетарными «фабриками»

Фото из открытых источников

Астрономы из Университета штата Нью-Мексико, Астрономического центра Николая Коперника и Общественного колледжа района Манхэттен Городского университета Нью-Йорка предполагают, что богатые пылью торы, окружающие активные ядра галактик (АГЯ) — энергетические ядра галактик, питаемые сверхмассивными черными дырами, — ведут себя во многом подобно протопланетным дискам, в которых образуются планеты вокруг молодых звезд. Результаты исследования опубликованы в журнале Astrophysical Journal.

«Планеты формируются внутри газово-пылевых дисков, окружающих молодые звезды», — заявили астрофизик Владимир Лира из Университета штата Нью-Мексико и его коллеги. «Однако появилась дополнительная и весьма привлекательная среда для формирования планет: диски, окружающие активные ядра галактик».

В последние годы были проведены значительные аналогии между физическими процессами внутри околозвездных дисков и внутри дисков активных галактических ядер.

Эти аналогии позволяют предположить, что механизмы, традиционно связываемые с формированием планет, могут также действовать в более экстремальных условиях дисков вокруг сверхмассивных черных дыр.

Используя компьютерное моделирование сильно намагниченного диска активного ядра галактики, исследователи обнаружили, что пылевые частицы размером от нескольких нанометров до долей миллиметра, дрейфующие из межзвездной среды, могут коагулировать и запускать процесс, называемый потоковой неустойчивостью.

Этот механизм концентрирует пыль в плотные нити, которые коллапсируют под действием собственной гравитации, порождая объекты различной массы — от тел земной массы до сверхъюпитеров, а в некоторых случаях и объекты, находящиеся на пределе водородного горения или превышающие его, — пороге, при котором объект становится достаточно массивным, чтобы превратиться в звезду.

Ученые предполагают, что такие диски могут содержать десятки миллионов объектов планетной массы, причем аккреция мелких частиц и аккреция газа будут способствовать их непрерывному росту на протяжении примерно 1–10 миллионов лет существования эпизода активного ядра галактики.

«Мы обнаруживаем объекты, масса которых в тысячу раз превышает массу Земли, но которые состоят из чистой пыли», — сказал Лира. «И не только это, но и то, что некоторые из этих объектов приближаются по массе к Солнцу. Мы выдвинули гипотезу, что черные дыры малой массы, вращающиеся вокруг диска сверхмассивных черных дыр, будут вести себя так же, как зародыши планет, подобно тому, как протопланеты ведут себя вокруг Солнца».

Они мигрировали, меняли свою орбиту, сталкивались с другими протопланетами и образовывали более крупные образования. Это совершенно иной способ образования массивных черных дыр, чем любой другой во Вселенной.

«Мы разработали эту идею в полноценную теорию. Она известна как «канал активного ядра галактики» и накопила убедительные наблюдательные доказательства», - отметил Лира.

Поскольку такой рост может вывести некоторые объекты в дисках активных галактических ядер за пределы предела сжигания водорода, этот механизм представляет собой новый путь звездообразования.

«Это механизм образования звёзд, который мы обнаружили впервые», — говорит Лира.

Звёзды обычно образуются в результате так называемого гравитационного коллапса. Это происходит сверху вниз. Образуется газ, образуется большое газовое облако, оно слишком плотное, поэтому коллапсирует под собственной тяжестью. Обычно всё начинается с чего-то большого, и это коллапсирует, образуя звезду.

«Наш механизм противоположен. Всё формируется снизу вверх. Сначала образуются строительные блоки, затем накапливается газ, и вуаля, образуется звезда», - сказал Лира.

Эти новообразованные звезды сами могут коллапсировать в черные дыры, потенциально сливаясь в тяжелые черные дыры, которые можно будет обнаружить с помощью будущих обсерваторий гравитационных волн, таких как космическая лазерная интерферометрическая антенна (LISA) Европейского космического агентства (ESA), запуск которой ожидается в середине 2030-х годов.

«Эти чёрные дыры огромны», — сказал соавтор исследования Бхупендра Мишра. «Они в сотни или тысячи раз больше Солнца, и если они начнут двигаться к центру, то также будут генерировать сигнал, который, вероятно, будет обнаружен аппаратом LISA, — сигнал гравитационных волн».