Загадки чёрных дыр, доминирующих в огромных областях космоса

В самом начале Вселенная состояла из первичного газа. Каким-то образом часть его попала в сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД) — гигантские сингулярности, находящиеся в центре галактик. Детали того, как это произошло и как СМЧД накапливают массу, являются одними из самых больших вопросов астрофизики.

Наука о чёрных дырах сделала большой шаг в 2019 году, когда телескоп Event Horizon Telescope сделал первое изображение чёрной дыры. Эта СМЧД находилась в Мессье 87, сверхгигантской эллиптической галактике на расстоянии более 50 миллионов световых лет от Земли. Каким бы захватывающим ни было это достижение, оно не дало ответа на наши давние вопросы о том, как эти объекты становятся такими массивными.

Учёные знают, что рост СМЧД определяется двумя основными процессами: Они поглощают холодный газ из своей галактики-хозяина и сливаются во время столкновений галактик.

Но есть несколько загадочных вопросов, на которые нет ответов. Один из них касается их происхождения. Мы видим, как СМЧД аккрецируют материю, но скорость, с которой они набирают массу, не может объяснить их размеры. Некоторые из них в миллиарды раз массивнее Солнца. Был ли у СМЧД какой-то скачок роста в ранние эпохи Вселенной?

А как насчёт чёрных дыр средней массы? Являются ли эти неуловимые объекты, которые могут находиться в центре шаровых скоплений, ступеньками к СМЧД?

Джеты чёрных дыр также загадочны. Эти джеты чрезвычайно мощные и разгоняют материю до экстремальных скоростей. Астрофизики понимают основы того, как СМЧД создают эти джеты. Но эти струи могут достигать релятивистских скоростей, и как они это делают, пока неясно.

Поскольку СМЧД так сложно наблюдать в деталях, учёные полагаются на теории, чтобы объяснить их. Со временем они пытаются усовершенствовать свои теории. Но иногда, по мере роста наблюдательной способности, наши теории не совпадают с наблюдениями. Это относится к аккреционным дискам вокруг СМЧД. Хотя по теории эти диски должны быть плоскими, как блинчики, наблюдения показывают, что они пухлые.

Вот тут-то и приходит на помощь моделирование.

Детальное моделирование — один из лучших инструментов астрофизиков для понимания СМЧД. Новое исследование, опубликованное в журнале The Open Journal of Astrophysics, изучает аккреционные диски вокруг СМЧД с помощью моделирования. Эти диски являются резервуарами газа, который питает рост СМЧД. Исследование называется «FORGE’d in FIRE: Resolving the End of Star Formation and Structure of AGN Accretion Disks from Cosmological Initial Conditions». Ведущий автор — Филип Хопкинс, профессор теоретической астрофизики в Калифорнийском технологическом институте.

«Наше новое моделирование является кульминацией нескольких лет работы двух крупных коллабораций, начатых здесь, в Калтехе», — сказал ведущий автор Хопкинс в пресс-релизе.

Хопкинс говорит о FIRE (Feedback in Realistic Environments) и STARFORGE (Star Formation in Gaseous Environments). STARFORGE — это мелкомасштабный симулятор, который фокусируется на том, как отдельные звёзды формируются в облаках газа, называемых молекулярными облаками. FIRE фокусируется на формировании галактик, включая такие вещи, как обратная связь с чёрными дырами и гашение.

FIRE и STARFORGE находятся на противоположных концах шкалы, и новая работа заполняет пробел между ними.

«Но между ними был большой разрыв», — объясняет Хопкинс. «Теперь мы впервые преодолели этот разрыв».

«В последнее время в симуляциях галактик стало возможным увеличивать масштабы от космологических до субпк, чтобы проследить аккрецию на сверхмассивные чёрные дыры (СМЧД)», — пишут авторы в своём исследовании. «Однако в какой-то момент приближения, используемые на масштабах ISM <межзвёздной среды> (например, оптически тонкое охлаждение и интегрированное по звёздной популяции звёздообразование и обратная связь), перестают работать».

Физика, управляющая мелкомасштабной аккрецией, отличается от физики, управляющей крупномасштабной аккрецией. «Пока вообще непонятно, что происходит в реальности, когда пересекаются различные физики, каждая из которых актуальна в своём масштабе, — пишут исследователи.

Крупномасштабные модели основаны на таких вещах, как коллективное воздействие целых звёздных популяций и начальная функция масс. Мелкомасштабные симуляции основаны на таких вещах, как формирование отдельных протозвёзд и звёздных ветров от отдельных звёзд. В ещё более мелких масштабах моделирование сосредоточено на отдельных аспектах аккреционных дисков вокруг СМЧД.

«В результате до сих пор не было симуляций, которые могли бы охватить все три этих режима одновременно и согласованно друг с другом», — объясняют Хопкинс и его соавторы.

Преодолеть этот пробел было не так-то просто. Хопкинсу и его коллегам потребовалось моделирование с гораздо более высоким разрешением. Разрешение должно было быть более чем в 1000 раз выше, чем у предыдущего лучшего симулятора.

«Это позволяет нам охватить масштабы от ~100 Мпк до <100 au (~300 радиусов Шварцшильда) вокруг СМЧД в то время, когда он аккрецирует как яркий квазар в одной симуляции», — объясняют исследователи в своей работе.

Их моделирование преподнесло сюрприз. Они показали, что магнитные силы играют более значительную роль в аккреционных дисках СМЧД, чем считалось ранее.

Согласно теории, вращающиеся аккреционные диски вокруг СМЧД должны быть плоскими, как блины. Это объясняется сохранением углового момента и вязкими силами в диске, которые распределяют импульс, сохраняя диск плоским. Но наши теории не согласуются с наблюдениями.

«Согласно нашим теориям, диски должны быть плоскими, как блинчики», — говорит Хопкинс. «Но мы знали, что это не так, потому что астрономические наблюдения показали, что диски на самом деле пушистые, больше похожие на сдобный пирог. Наше моделирование помогло нам понять, что магнитные поля подпирают материал диска, делая его более пушистым».

У сверхмассивных чёрных дыр бывают разные уровни активности. Когда они активно аккрецируют большое количество материала, они чрезвычайно светятся и излучают свет во всём электромагнитном спектре. В этом случае они называются квазарами, и их световое излучение может превышать суммарное излучение целой галактики размером с Млечный Путь.

Квазары обладают огромной мощностью, и астрофизики стремятся понять, как работают диски вокруг этих СМЧД. Исследователи использовали моделирование для так называемого «суперувеличения». Чтобы это работало в разных масштабах, моделирование должно включать в себя всевозможные формулы, которые управляют всем — от простой гравитации до тёмной материи. Все эти вещи должны вычисляться параллельно, и они влияют друг на друга.

«Если вы просто скажете, что гравитация тянет всё вниз, и в конце концов газ образует звезду, а звёзды просто растут, вы получите дикую ошибку, — объясняет Хопкинс. Звёзды — сложные объекты. У них есть звёздные ветры. Они могут нагревать близлежащий газ. Некоторые из них маленькие и тусклые и существуют триллионы лет. Некоторые массивные и горячие, и в конце своей короткой жизни взрываются как сверхновые. Природа необычайно сложна, как понимает большинство людей, интересующихся астрономией.

Построение симуляции, которая могла бы учесть все детали в разных масштабах, — чрезвычайно сложная задача.

«Было несколько кодов, которые содержали физику, необходимую для решения мелкомасштабной части проблемы, и несколько кодов, которые содержали физику, необходимую для решения более крупной, космологической части проблемы, но не было ничего, что содержало бы и то, и другое», — говорит Хопкинс.

Работа команды привела к моделированию СМЧД в ранней Вселенной с массой в десять миллионов солнечных масс. Она увеличивает масштаб, когда гигантский поток звездообразующего газа отрывается от своего облака в аккреционный диск, вращающийся вокруг чёрной дыры. Увеличение продолжается по мере того, как газ притягивается ближе к дыре.

«В нашем моделировании мы видим, как этот аккреционный диск формируется вокруг чёрной дыры», — говорит Хопкинс. «Мы были бы очень рады, если бы увидели только этот аккреционный диск, но удивительным оказалось то, что смоделированный диск выглядит совсем не так, как мы десятилетиями думали, что он должен выглядеть».

Теория чёрных дыр, созданная в 1970-х годах, показывает, что тепловое давление является доминирующей силой в аккреционных дисках сверхмассивных чёрных дыр. Согласно этим теориям, тепловое давление не позволяет дискам разрушаться под действием экстремальной гравитации, которую оказывает СМЧД. Магнитные поля играли меньшую роль.

Но эти симуляции показывают обратное. Они показывают, что магнитное давление на диск примерно в 10 000 раз сильнее, чем тепловое давление газа.

«Таким образом, диски почти полностью контролируются магнитными полями», — говорит Хопкинс. «Магнитные поля выполняют множество функций, одна из которых — поддерживать диски и делать материал более пухлым».

Этот результат многое меняет.

«Мы показываем, что магнитные поля имеют решающее значение для широкого спектра эффектов на субкомпактных масштабах в аккреционном диске, начиная от поддержания эффективных крутящих моментов и высоких скоростей притока, объяснения высоты и вертикальных профилей структуры диска, внешнего размера/границы аккреционного диска и, возможно, самого главного — подавления звёздообразования на субкомпактных масштабах, — пишут авторы.

Диск всё ещё может формироваться без магнитного поля, но ситуация кардинально меняется. Диск будет на величину или больше меньше, чем диск с полем. Скорость аккреции на диск может быть более чем в 100 раз ниже, а сам диск может фрагментироваться и образовывать звёзды».

Это только начало моделирования. Они намерены опубликовать ещё две работы в серии. В этих работах они сосредоточатся на более подробных деталях, таких как звёздообразование и функция начальной массы во внутренней области вокруг аккреционных дисков квазаров.