Нічітелї або творителї: ці были чорны дїры архітектами ґалактік?

Телескоп «Джеймс Вебб», позераючі ся до минулости весміру, видить нечекано зрїлы ґалактікы з многыма звіздами. Теперь ся учены звідають, як ся їм подарило сформовати ся за дакілько стовок міліонів років по Великім выбуху? Авторы нового зглядованя, опублікованого в авторітетнім выданю Astrophysical Journal Letters, вірять, же нашли одповідь на тото звіданя.

Злядователї складують роль архітектів ґалактік і серійных выробцїв звізд на супермасівны чорны дїры (СМЧД). Але то лем комплікує загадку: кедь чорны дїры помогли ґалактікам здобыти зрїлость так скоро, та як ся они самы натілько скоро зъявили? На высвітлїня того яву можно треба зревідовати фундаменталны ідеї о козмолоґії — науцї, котра штудує взник і розвой весміру.

Перед світанём

Предпокладать ся, же безпосереднё по Великім выбуху была маса розложена у просторї скоро рівномірно. В каждім припадї много рівномірнїше як теперь, кедь релатівно густы ґалактікы роздїлены величезныма пустынныма пропастями. Але ключове слово є ту скоро. Праві з первістных негомоґеніт (тото слово мож перекласти ай як неєднородность) ся зачало формованя ґалактік. Там, де была густота припадково мало высша, была бівша ай ґравітація. Тоты центры притяганя притяговали матерію к собі, од того ся притяжливость ставала іщі силнїшов і так дале. Тото є важный припад позітівной зворотной звязи — концепт, котрый іщі будеме потребовати!

Так выникали величезны протоґалактічны хмары темной матерії і первістного ґазу (гідроґена з примішков гелія). В каждій точцї хмары ся складовали силы притяганя вшыткых довколашнїх мас матерії. Тота комбінована ґравітація была найсилнїша в центрї протоґалактікы. Праві там і дрейфовали огромны масы ґазу. Тот погыб быв подобный на прилив потоків воды до нижнёй точкы судины. Лем намісто земного притяганя ту робила комбінована притяжливость цїлой ґалактікы.

У глубинах тых колосалных хмар ґравітація тыж стяговала матерію до грудок, посилуючі малы припадковы негомоґеніты. Так ся формовали звізды з первістного ґазу.

К тій штандартній сценарії зглядователї придали невеликый, але барз важный додаток. Предпокладали, же ся СМЧД формовали барз скоро в центрах протоґалактік. Авторы статї говорять, же ся то можно стало лем десяткы міліонів років по Великім выбуху, іщі до взнику першых звізд. СМЧД ся гнїздять практічно у вшыткых великых ґалактіках, але звычайно їх не поважують за такы стары.

Сердця вогня

Справованя СМЧД є добрї знакоме астрономам. Хоцьяка матерія, што ся указала барз близко к чорній дїрї, захоплює ся своёв ґравітаціёв і достає ся на орбіту коло «выжерачкы». Чорна дїра так добывать обертаючу ся коло себе хмару матерії у формі діску. Кажда верьства діску ся обертать зо своёв скоростёв: чім ближше к чорній дїрї, тым скорше. На самім горізонтї подїй — на поверьхности невернутя чорной дїры, спід котрой уж не є пути назад, є тота скорость порівнателна зо скоростёв світла.

Кедьже сусїднї верьствы мають різны скорости, в місцю їх дотыку выникать тертя. А кедьже є тота скорость барз велика, тертя є страшезне. Оно розогрївать матерію до стовок міліонів ступнїв. То є десятьраз теплїше як у центрї Сонця. При такім теплї не можуть єствовати ани атомы: розпадають ся на ядра і електроны, матерія ся мінить на плазму. Каждый кілоґрам, котрый потрафив до того діавольского пеца высвічує огромну енерґію. Є то приближно 10 процент од mc², теоретічной граніцї того, што мож выжмыкати з матерії. Є то десятьраз ефектнівнїшый ґенератор як термонуклеарны реакції в глубинах звізд.

Окрем того, потокы ґазу, што ся труть, страчають момент обертаня. Замкнуты орбіты ся мінять на спіралу. Нижня часть діску ся мало-помалы понурять до чорной дїры. Векшына розпеченой хмары у формі діску є вшак над горізонтом подїй, зато выжарує до довколашнёго козмоса потокы жарїня. Парадоксално є докінця часть матерії вывергнута з акреційного діску. Фактом є, же в хмарї плазмы выникають величезны електромаґнітны поля, котры мінять діск на ґрандіозный акцелератор часток. Они вышмарюють пруды часток скоростёв близков світла, і ани ґравітація централной чорной дїры їх не може утримати.

Тото є класічный образ роботы квазарів — найсилнїшых здроїв жарїня у весміру. У меншых мірах ся рівнакы процесы одбывають в ядрах многых ґалактік. Докінця ай чорна дїра в центрї нашой Молочной пути, що важить лем штири міліоны сонц, має свій властный акреційный діск. Нащастя про нас він є невеликый і выжарує порівнано мало світла. Якбы ядро ґалактікы было актівнїше, жывот на Земли бы быв неможный через силны потокы жарїня.

Як бы міг такый розшыреный і перестудованый яв змінити розуміня формованя ґалактік?

Півхмарность

Подля авторів, одповідь є проста — вшытка тота ілумінація ся зачала у барз молодых протоґалактіках. Днесь є в тіповій ґалактіцї маса звізд порівнателна з масов меджізвіздного ґазу, а тогды гет не было звізд або было барз мало. Скоро вшытка матерія, котра ся потім стане звіздами, єствовала у формі ґазу. То значіть, же около чорной дїры было омного веце ґазу як у модерній зрїлій ґалактіцї і докінця як в найстаршых знаных квазарах. Таке сусїдство не могло зістати без наслїдків про ґазовы хмары. Силны потокы жарїня і набитых часток, што ся выжарюють акреційным діском, врїзали ся до довколашнёго ґазу. Они розрывали і дерли хмары, вымушуючі матерію в дословнім змыслї кыпіти.

Якый быв далшый осуд того побаламученого ґазу? Ту ся зачінать, подля мене, найінтереснїше. Докы го было много, родили ся з нёго звізды. Навысше ся родили они ураґановыма і прискорюючіма ся темпами.

Ґенератор звізд

Звізды ся творять там, де суть нереґуларности, згустнутя. Праві они служать як запалёвач, к котрому ґравітація стягує матерію. У здеформованых ґазовых хмарах, прорываючіх ся на части, выникали згустнутя. Не вшыток ґаз із розторгнутых ґазовых хмар ся змінив на звізды. Часть падала на акреційный діск і піджывляла го. Вдяка тому была чорна дїра іщі актівнїша і довколашня хмара ся розвалёвала іщі скорше — круг ся замыкав.

Тот замкнутый круг, коли ся процес сам прискорёвав, называть ся позітівна зворотна звязь. Каждый, хто даколи лїпив снїгуляка, знає: грудка снїгу, котра ся вміщує до долони, выростать уж дакілько кроків мало не до пояса. Пак чім є ёго поверьхность бівша, тым веце снїгу ся на нёго налипне за єдне обертаня, а од того ся поверьхность іщі звекшить. Далшым прикладом є розшырїня новой інфекції. Чім веце люди захворїли, тым веце люди ся інфікують од контакту з нима, а они зась інфікують іщі веце людей. На ярь 2020. року жытелї цїлого світа могли позоровати, як ся десяткы підтвердженых припадів COVID-19 за дакілько тыжднїв змінили на тісяч. У цїлім, кедь ся чогось — снїгу, припадів хворобы або звізд в ґалактіцї — барз скоро стає барз много, є начасї підозрити позітівну зворотну звязь.

Але обычайна лоґіка підповідать, же позітівна зворотна звязь ся скоро ці піздно оборве. У світї обмедженых ресурсів не може ніч расти недоконечна. Снїгова куля ся увелічіть натілько, же ї уж не покыне. Векшына жытельства дістане імуніту, і розшырїня вірусу ся спомалить. Засобы первістного ґазу ся вычерпають, і свіжы звізды уж не буде з чого лїпити.

Однесены козмічным вітром

Досправды є сітуація іщі інтереснїша. У міру того як ся хмары ґазу вычерповали, турбулентны потокы змінёвали своё справованя. Тоты пруды ся уж не розпадали на протозвіздны квоточкы. Теперь они просто вытїкали з центра ґалактікы, а можно ай дале.

Є природно дати сі звіданя: чом ся справованя потоків так змінило? Є ту обгорнута доста тонка фізіка, але попробую ї описати двома словами. У фабрицї звізд мусить ґаз нелем кыпіти локалным згустнятём, але мусить ся ай ефектівно охолоджовати. По перше, з барз горячой матерії не вылїпиш звізду: наростаючій тиск заставить стисканя протозвіздной хмары. По друге, дістату од чорной дїры енерґію треба даґде подїти, жебы зістала на місцю, а не одлетїла гет.

Кедь ся ґаз у протоґалактіцї став барз розрїдженым, переднї механізмы охолоджіня перестали фунґовати. Фабрика звізд ся затворила, і зачав ся одлив капіталу. Подля розрахунків авторів тот драматічный переход настав, кедь ся весміру выповнив приближно міліард років.

Сїмня будучности

Тым кіпом, ґалактікы дозрїли скоро, кедьже чорны дїры в їх центрї дозрїли іщі скорїше. Але як ся то вдало чорным дїрам? Ці не перекладуєме проблем на іншый край стола намісто ёго рїшіня?

Астрономове доста не знають, як ся сформовали СМЧД. Єдна з теорій говорить, же є то множество злїпленых чорных дїр звіздной масы. Послїднї ся формують з выгорївшых звізд. Є зрозуміло, же нам така сценарія нияк не пасує. Конець кінцїв, у зглядованю авторів чорны дїры уж суть супермасівны, кедь є в ґалактікцї іщі барз мало звізд.

Інша верзія пестує СМЧД з тяжкых семен. Так поетічно называють астрономове чорны дїры з масов до 100 тісяч сонц, котры выникли з густых ґазовых хмар. Притягуючі на себе довколашнїй ґаз, подобне семено може нарости на міліоны і міліарды сонячных мас. Тота теорія ся хоць лем справує з СМЧД, котры ся зъявили за 500 міліонів років по Великім выбуху. Але о першых 100 міліонах років єствованя весміру вшак не може быти ани речі.

У чім є секрет скорого дозрїваня СМЧД? Авторы нукають дакілько рїшінь. Єдно з них є звекшіня кількости первістных чорных дїр у весмірї.

На зачатку были дїры

Первістны чорны дїры суть дословно першы астрономічны обєкты у весміру. Они ся сформовали в першій секундї по Великім выбуху. Іщі не было ани атомів, не говорячі о ґалактіках і звіздах.

Одкы ся они взяли? Уж сьме говорили о первістных негомоґенітах, ґравітація котрых дала зачаток ґалактікам. Дакотры з тых негомоґеніт ся нагодов указали такыма густыма, же ся єдным махом без далшых частей матерії змінили на чорны дїры. Тоты чорны дїры ся называють первістныма.

На превеликый жаль про позорователїв, чорным дїрам не выдають родны листы. З чорной дїры є скоро неможно зістити, ці єствує од першой секунды єствованя весміру або ся народила овелё пізнїше. Зато не є знана ани єдна чорна дїра, котру бы было можно з істотов поважовати за первістну.

Подля ученых мали первістны чорны дїры барз роздїлну масу: од обычайных пороховых часток аж до супермасівных ґіґантів. Позад ушыткого, масівны обєкты ся стрїчали рїдше як легкы. Тот закон фунґує все, кедь ґравітація лїпить із матерії грудкы. Ёго легко выслїдити ай у Сонячній сістемі: є ту мало планет, овелё веце великых астроїдів, іщі веце малых, а вшелияка дрібня як метеороїд ся нияк не дають зраховати. Запамятати тот прінціп помагать лаконічна формула: швабів веце як слонів.

Але накільно досправды веце? Кілько чорных дїр — шавбів припадло на єдного слона? І кілько слонів ся вытворило у видимім весмірї?

На тото звіданя не є точной одповіди. Теорія допущать різны варіанты, не противны позорованям. В найпростїшых моделах ся творить барз мало масівных чорных дїр. Але є можно, же їх досправды не є менше як ґалактік. І тогды можно предпокладати, же то были первістны чорны дїры, котры ся стали тяжкыма семенами або докінця готовыма СМЧД в ядрах ґалактік.

Не є то вшак єдиный варіант. Авторы споминають можность підрихтовати дістрібуцію зачаточных негомоґеніт. Тогды чорны дїры в центрах ґалактік устигнуть нарости без хоцьякых первістных семен. Єствують ай іншы сценарії, правда, іщі екзотічнїшы.

Перевірка реалностёв

З масівнов вынаходков молодых, але нечекано зрїлых ґалактік ся козмолоґічны теорії заколысали. Новый модел ся може стати про них захранов. А може ся указати, же іде лем о шіковну, але непотверджену гіпотезу. В короткій історії козмолоґії такых были десяткы, кедь не стовкы.

Зглядователї честно называють свій модел спрощеным і приправным. Было бы хосенно го деталнїше розробити. Іщі лїпше є попробовати на міцность у выраховлёванім ескперіментї на суперкомпютерї. Але дефінітіным судцём астрономічной теорії можуть быти лем позорованя.

Тестованя того моделу не буде просто. Першы стовкы міліонів років по Великім выбуху суть скоро над силы єствуючіх телескопів. Днешнїй рекорд є 320 міліонів років. Айно, в послїднїх роках ся подобны рекорды скоро обновлюють. Єдна річ є вшак розознати малый червеный фляк на на граніцї сензітівности, а гет інша повісти о нїм дашто обсягове.

Окрем того, в протоґалактічній хмарї скоро неможно збачіти чорну дїру, непозераючі на то, яка є она актівна. Ґаз закрывать акреційный діск таков густов цлонов, же ся потік лучів практічно не пробивать вонка. Можно, говорять зглядователї, рентґеновы телескопы слїдуючой ґенерації зможуть збачіти слабе жарїня.

Покы же будеме мусїти позоровати доступнїшы ґалактікы. Їх минулость можно посуджовати подля непрямых знаків, наприклад хемічного зложіня ґазу. Тото тыж отварять дакотры можности тестованя моделу чорной дїры.

Єдна річ є іста: іщі знаме мало о походжіню як самых ґалактік, так ай їх централных чорных дїр. Але великый математік Давід Гілберт раз выголосив: «Мусиме знати — будеме знати». Тот афорізм можно поважовати за мотто козмолоґів, котры кусок по куску выдрябують тайны минулости весміру.