Блуждающие чёрные дыры могут содержать ключи к пониманию эволюции Вселенной

Фото из открытых источников

Во Вселенной существует класс черных дыр, которые не являются сверхмассивными, не связаны ни с одной галактикой и путешествуют по космосу миллиарды лет. В новом исследовании ученые из США изучают возможность того, что эти «странники» изначально были сверхмассивными черными дырами (СМЧД) в центре галактик, которые были смещены в результате слияния галактик. Их выводы могут помочь ученым, стремящимся узнать происхождение черных дыр.

Исследование возглавила Эмма Джейн Уэллер. К ней присоединились профессор Приямвада Натараджан и Колин Дж. Берк. Результаты исследования были опубликованы в The Astrophysical Journal Letters.

Для исследования ученые использовали ASTRID — высокоточный пакет космологического моделирования, который моделирует эволюцию Вселенной (включая звезды, темную материю, газ и черные дыры) от самых ранних периодов до настоящего времени. Команда использовала этот пакет для изучения галактик, населенных звездами массой от 10 миллионов до 1 триллиона солнечных масс. Затем они проследили их эволюцию на протяжении примерно 12,6 миллиардов лет.

Важной особенностью моделирования ASTRID является то, что оно не размещает автоматически черные дыры в центрах галактик. Вместо этого оно моделирует гравитационные силы, которые перемещают черные дыры в их окружении и доставляют их к центрам. Это позволило команде различать стабильные черные дыры в ядрах галактик и блуждающие черные дыры. Они также отметили, что процесс, приводящий к появлению блуждающих черных дыр, более выражен в галактиках малой массы, где их гравитация слабее.

«Наши результаты показывают, что рассмотрение блуждающих черных дыр, — сказала Уэллер, — в дополнение к черным дырам с центром, имеет важное значение для понимания происхождения и динамики массивных черных дыр, а также истории галактик-хозяев, в которых они находятся».

Согласно преобладающим теориям, считается, что самые ранние черные дыры возникли как «зародыши» в молодой Вселенной. У ученых существуют конкурирующие теории о том, как они выросли в сверхмассивные черные дыры, которые мы видим сегодня. Некоторые считают, что первые звезды (популяции III) оставили после себя небольшие зародыши, которые затем слились воедино, другие же утверждают, что тяжелые зародыши образовались раньше путем прямого коллапса, когда чистый газ накопил достаточно массы для создания больших черных дыр.

«Самое интересное в наших открытиях то, что черные дыры, похоже, помнят не только обстоятельства своего рождения. Их нынешнее местоположение несет на себе отпечаток всего, что происходило с их галактиками-хозяевами. Разделяя черные дыры в центрах галактик и блуждающие черные дыры, мы можем начать разграничивать эти две истории. Некоторые из самых показательных черных дыр во Вселенной могут оказаться теми, которые заблудились», - говорит Натараджан.

Моделирование ASTRID также представило другие интересные результаты, например, тот факт, что маломассивные галактики, по-видимому, сохраняют информацию о своих первоначальных «зародышевых» черных дырах, несмотря на миллиарды лет роста за счет слияний. Они также предполагают, что маломассивные галактики, прекратившие образование новых звезд, с большей вероятностью содержат черные дыры в своих центрах, в то время как те, которые все еще формируют звезды, с большей вероятностью имеют блуждающие галактики.

В конечном итоге, эти результаты предлагают основу, которая может привести к более всестороннему подходу к изучению происхождения черных дыр. Этот потенциальный подход включает в себя глубокие рентгеновские наблюдения, оптическую и инфракрасную спектроскопию, радиоастрономию и кратковременные «вспышки», вызванные поглощением звезд черными дырами. 

«Каждый из этих методов позволяет исследовать различные части популяции. Объединив наблюдения с результатами моделирования, мы, возможно, сможем выявить следы формирования черных дыр и эволюции галактик», - резюмирует Уэллер.