stringtranslate.com

Прямой коллапс черной дыры

Художественное представление образования массивного зародыша черной дыры через прямой канал черной дыры. [1]

Черные дыры прямого коллапса ( DCBH ) — это семена черных дыр большой массы , которые образуются в результате прямого коллапса большого количества материала. [2] [3] [4] [5] Они предположительно образовались в диапазоне красного смещения z = 15–30, [6] когда Вселенной было около 100–250 миллионов лет. В отличие от семян, образовавшихся из первой популяции звезд (также известных как звезды популяции III ), семена черных дыр прямого коллапса образуются в результате прямой общей релятивистской нестабильности. Они очень массивны, с типичной массой при образовании ~10 5  M ☉ . [3] [7] Эта категория зародышей черных дыр изначально была предложена теоретически, чтобы облегчить задачу создания сверхмассивных черных дыр уже при красном смещении z~7, что подтверждено многочисленными наблюдениями на сегодняшний день. [1] [8] [9] [10] [11]

Формирование

Черные дыры прямого коллапса (DCBH) — это массивные зародыши черных дыр, которые, как предполагается, образовались во Вселенной с высоким красным смещением и с типичными массами на момент образования ~10 5  M ☉ , но охватывает между10 4  М ☉ и10 6  M ☉ . Физические условия окружающей среды для образования DCBH (в отличие от скопления звезд ) следующие: [3] [4]

  1. Газ , не содержащий металлов (газ, содержащий только водород и гелий ).
  2. Атомно-охлаждающий газ.
  3. Достаточно большой поток фотонов Лаймана-Вернера , чтобы разрушить молекулы водорода, которые являются очень эффективными газовыми охладителями. [12] [13]

Предыдущие условия необходимы для того, чтобы избежать охлаждения газа и, следовательно, фрагментации первичного газового облака. Неспособное фрагментироваться и образовывать звезды, газовое облако претерпевает гравитационный коллапс всей структуры, достигая чрезвычайно высокой плотности материи в своем ядре, порядка ~10 7 г/см 3 . [14] При этой плотности объект претерпевает общую релятивистскую неустойчивость, [14] что приводит к образованию черной дыры типичной массы ~10 5  M ☉ и до 1 миллиона M ☉ . Возникновение общей релятивистской неустойчивости, а также отсутствие промежуточной звездной фазы привели к названию прямой коллапсирующей черной дыры. Другими словами, эти объекты коллапсируют непосредственно из первичного газового облака, а не из звездного прародителя, как предписано в стандартных моделях черной дыры. [15]

Компьютерное моделирование, представленное в июле 2022 года, показало, что гало в редком слиянии сильных холодных аккреционных потоков может создавать массивные семена черных дыр без необходимости в ультрафиолетовом фоне, сверхзвуковых потоковых движениях или даже атомном охлаждении. Холодные потоки создавали турбулентность в гало, которая подавляла звездообразование. В моделировании в гало не образовывалось звезд, пока оно не выросло до 40 миллионов солнечных масс при красном смещении 25,7, когда гравитация гало наконец смогла преодолеть турбулентность; затем гало коллапсировало и образовало две сверхмассивные звезды , которые умерли как DCBH31 000 и40 000  М ☉ . [16] [17]

Демография

Обычно считается, что черные дыры прямого коллапса являются чрезвычайно редкими объектами во Вселенной с высоким красным смещением, поскольку три фундаментальных условия их образования (см. выше в разделе «Формирование») сложно соблюсти одновременно в одном и том же газовом облаке. [18] [19] Текущие космологические моделирования показывают, что DCBH могут быть столь же редкими, как всего лишь около 1 на кубический гигапарсек при красном смещении 15. [19] Прогноз их численной плотности сильно зависит от минимального потока фотонов Лаймана-Вернера, необходимого для их образования [20] , и может достигать ~10 7 DCBH на кубический гигапарсек в самых оптимистичных сценариях. [19]

Обнаружение

В 2016 году группа под руководством астрофизика из Гарвардского университета Фабио Пакуччи идентифицировала первых двух кандидатов на прямой коллапс черных дыр, [21] [22] используя данные с космического телескопа Хаббл и рентгеновской обсерватории Чандра . [23] [24] [25] [26] Два кандидата, оба на красном смещении , были обнаружены в поле CANDELS GOODS-S и соответствовали спектральным свойствам, предсказанным для этого типа астрофизических источников. [27] В частности, прогнозируется, что эти источники имеют значительный избыток инфракрасного излучения по сравнению с другими категориями источников на высоком красном смещении. [21] Дополнительные наблюдения, в частности с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба , будут иметь решающее значение для исследования свойств этих источников и подтверждения их природы. [28]

Отличие от первичных и коллапсирующих черных дыр

Первичная черная дыра является результатом прямого коллапса энергии, ионизированной материи или того и другого в течение инфляционной или радиационной эпохи , в то время как черная дыра прямого коллапса является результатом коллапса необычно плотных и больших областей газа. [29] Обратите внимание, что черная дыра, образованная в результате коллапса звезды населения III, не считается «прямым» коллапсом.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab "Телескопы НАСА нашли подсказки о том, как гигантские черные дыры образовались так быстро". Пресс-центр . Рентгеновская обсерватория Чандра . 24 мая 2016 г. Получено 27 августа 2020 г.
  2. ^ Лёб, Абрахам; Расио, Фредерик А. (1994-09-01). «Коллапс первичных газовых облаков и образование квазарных чёрных дыр». The Astrophysical Journal . 432 : 52–61. arXiv : astro-ph/9401026 . Bibcode : 1994ApJ...432...52L. doi : 10.1086/174548. S2CID  17042784.
  3. ^ abc Бромм, Фолькер; Лёб, Абрахам (2003-10-01). «Формирование первых сверхмассивных чёрных дыр». The Astrophysical Journal . 596 (1): 34–46. arXiv : astro-ph/0212400 . Bibcode : 2003ApJ...596...34B. doi : 10.1086/377529. S2CID  14419385.
  4. ^ ab Lodato, Giuseppe; Natarajan, Priyamvada (2006-10-01). "Образование сверхмассивных черных дыр во время сборки догалактических дисков". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 371 (4): 1813–1823. arXiv : astro-ph/0606159 . Bibcode : 2006MNRAS.371.1813L. doi : 10.1111/j.1365-2966.2006.10801.x . S2CID  13448595.
  5. ^ Сигел, Итан. «Черные дыры с прямым коллапсом могут объяснить загадочные квазары нашей Вселенной». Forbes . Получено 27 августа 2020 г.
  6. ^ Юэ, Бин; Феррара, Андреа; Сальватерра, Рубен; Сюй, Идун; Чен, Сюэлэй (01 мая 2014 г.). «Краткая эра образования черной дыры прямого коллапса». Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 440 (2): 1263–1273. arXiv : 1402.5675 . Бибкод : 2014MNRAS.440.1263Y. дои : 10.1093/mnras/stu351 . S2CID  119275449.
  7. ^ Rees, Martin J.; Volonteri, Marta (2007-04-01). "Массивные черные дыры: формирование и эволюция". Черные дыры от звезд до галактик – через диапазон масс . 238 : 51–58. arXiv : astro-ph/0701512 . Bibcode :2007IAUS..238...51R. doi :10.1017/S1743921307004681. S2CID  14844338.
  8. ^ Bañados, Eduardo; Venemans, Bram P.; Mazzucchelli, Chiara; Farina, Emanuele P.; Walter, Fabian; Wang, Feige; Decarli, Roberto; Stern, Daniel; Fan, Xiaohui; Davies, Frederick B.; Hennawi, Joseph F. (2018-01-01). "Черная дыра массой 800 миллионов солнечных масс в существенно нейтральной Вселенной при красном смещении 7,5". Nature . 553 (7689): 473–476. arXiv : 1712.01860 . Bibcode :2018Natur.553..473B. doi :10.1038/nature25180. PMID  29211709. S2CID  205263326.
  9. ^ Fan, Xiaohui; Narayanan, Vijay K.; Lupton, Robert H.; Strauss, Michael A.; Knapp, Gillian R.; Becker, Robert H.; White, Richard L.; Pentericci, Laura; Leggett, SK; Haiman, Zoltán; Gunn, James E. (2001-12-01). "Обзор z>5.8 квазаров в Sloan Digital Sky Survey. I. Открытие трех новых квазаров и пространственная плотность светящихся квазаров на z~6". The Astronomical Journal . 122 (6): 2833–2849. arXiv : astro-ph/0108063 . Bibcode : 2001AJ....122.2833F. doi : 10.1086/324111. S2CID  119339804.
  10. ^ Ян, Цзиньи; Ван, Фейдж; Фань, Сяохуэй; Хеннави, Джозеф Ф.; Дэвис, Фредерик Б.; Юэ, Минхао; Банадос, Эдуардо; У, Сюэ-Бин; Венеманс, Брэм; ​​Барт, Аарон Дж.; Бянь, Фуянь (2020-07-01). "Poniua'ena: A Luminous z = 7.5 Quasar Hosting a 1.5 Billion Solar Mass Black Hole". The Astrophysical Journal Letters . 897 (1): L14. arXiv : 2006.13452 . Bibcode : 2020ApJ...897L..14Y. doi : 10.3847/2041-8213/ab9c26 . S2CID  220042206.
  11. ^ "В ранней Вселенной обнаружена гигантская черная дыра". Обсерватория Джемини . 2020-06-24 . Получено 2020-09-06 .
  12. ^ Regan, John A.; Johansson, Peter H.; Wise, John H. (2014-11-01). «Прямой коллапс зародыша массивной черной дыры под влиянием анизотропного источника Лаймана–Вернера». The Astrophysical Journal . 795 (2): 137. arXiv : 1407.4472 . Bibcode :2014ApJ...795..137R. doi :10.1088/0004-637X/795/2/137. S2CID  119119172.
  13. ^ Sugimura, Kazuyuki; Omukai, Kazuyuki; Inoue, Akio K. (2014-11-01). «Критическая интенсивность излучения для образования черной дыры при прямом коллапсе: зависимость от формы спектра излучения». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 445 (1): 544–553. arXiv : 1407.4039 . Bibcode : 2014MNRAS.445..544S. doi : 10.1093/mnras/stu1778 . S2CID  119257740.
  14. ^ ab Montero, Pedro J.; Janka, Hans-Thomas; Müller, Ewald (2012-04-01). "Релятивистский коллапс и взрыв вращающихся сверхмассивных звезд с термоядерными эффектами". The Astrophysical Journal . 749 (1): 37. arXiv : 1108.3090 . Bibcode :2012ApJ...749...37M. doi :10.1088/0004-637X/749/1/37. S2CID  119098587.
  15. ^ Натараджан, Приямвада (2018). «Загадка первых черных дыр». Scientific American . 318 (2): 24–29. doi :10.1038/scientificamerican0218-24. PMID  29337944. Архивировано из оригинала 16.01.2018.
  16. ^ «Раскрытие происхождения первых сверхмассивных черных дыр». Nature . 6 июля 2022 г. doi :10.1038/d41586-022-01560-y. PMID  35794378. Современные компьютерные симуляции показывают, что первые сверхмассивные черные дыры родились в редких, турбулентных резервуарах газа в изначальной Вселенной без необходимости в тонко настроенных, экзотических средах — вопреки тому, что считалось на протяжении почти двух десятилетий.
  17. ^ «Ученые выяснили, как образовались первые квазары во Вселенной». phys.org . Предоставлено Портсмутским университетом. 6 июля 2022 г. Получено 2 августа 2022 г.
  18. ^ Агарвал, Бхаскар; Далла Веккья, Клаудио; Джонсон, Джарретт Л.; Хочфар, Садег; Паардекупер, Ян-Питер (2014-09-01). «Проект «Первый миллиард лет»: места рождения черных дыр прямого коллапса». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 443 (1): 648–657. arXiv : 1403.5267 . Bibcode : 2014MNRAS.443..648A. doi : 10.1093/mnras/stu1112 . S2CID  119278181.
  19. ^ abc Habouzit, Mélanie; Volonteri, Marta; Latif, Muhammad; Dubois, Yohan; Peirani, Sébastien (2016-11-01). «О плотности числа семян черных дыр «прямого коллапса»». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 463 (1): 529–540. arXiv : 1601.00557 . Bibcode : 2016MNRAS.463..529H. doi : 10.1093/mnras/stw1924 . S2CID  118409029.
  20. ^ Латиф, MA; Бовино, S.; Грасси, T.; Шлейхер, DRG; Спаанс, M. (2015-01-01). «Как реалистичные УФ-спектры и рентгеновские лучи подавляют обилие черных дыр прямого коллапса». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 446 (3): 3163–3177. arXiv : 1408.3061 . Bibcode : 2015MNRAS.446.3163L. doi : 10.1093/mnras/stu2244 . S2CID  119219917.
  21. ^ ab Пакуччи, Фабио; Феррара, Андреа; Грациан, Андреа; Фиоре, Фабрицио; Джиаллонго, Эмануэле; Пучетти, Симонетта (2016-06-01). "Первое выявление кандидатов в черные дыры с прямым коллапсом в ранней Вселенной в CANDELS/GOODS-S". Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 459 (2): 1432–1439. arXiv : 1603.08522 . Bibcode :2016MNRAS.459.1432P. doi : 10.1093/mnras/stw725 . S2CID  118578313.
  22. ^ "Первые кандидаты на роль черных дыр с прямым коллапсом". Фабио Пакуччи . Получено 29.09.2020 .
  23. ^ Нортон, Карен (2016-05-24). «Телескопы НАСА находят подсказки о том, как гигантские черные дыры образовались так быстро». НАСА . Получено 28 сентября 2020 г.
  24. ^ «Тайна сверхмассивных черных дыр может быть разгадана». www.cbsnews.com . 25 мая 2016 г. Получено 28 сентября 2020 г.
  25. ^ «Тайна массивных черных дыр может быть раскрыта телескопами NASA». ABC News . Получено 28.09.2020 .
  26. ^ Рейнольдс, Эмили (25.05.2016). «Хаббл обнаруживает подсказки о том, как образуются сверхмассивные черные дыры». Wired UK . ISSN  1357-0978 . Получено 28.09.2020 .
  27. ^ Пакуччи, Фабио; Феррара, Андреа; Волонтери, Марта; Дюбус, Гийом (2015-12-01). «Сияние в темноте: спектральная эволюция первых черных дыр». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 454 (4): 3771–3777. arXiv : 1506.05299 . Bibcode : 2015MNRAS.454.3771P. doi : 10.1093/mnras/stv2196 . S2CID  119187129.
  28. ^ Натараджан, Приямвада; Пауччи, Фабио; Феррара, Андреа; Агарвал, Бхаскар; Рикарте, Анджело; Закриссон, Эрик; Каппеллути, Нико (01 апреля 2017 г.). «Открытие первых черных дыр с помощью JWST: многоволновые спектральные предсказания». Астрофизический журнал . 838 (2): 117. arXiv : 1610.05312 . Бибкод : 2017ApJ...838..117N. дои : 10.3847/1538-4357/aa6330 . S2CID  88502812.
  29. ^ Карр, Бернард; Кюнель, Флориан (19 октября 2020 г.). «Первичные черные дыры как темная материя: последние разработки». Annual Review of Nuclear and Particle Science . 70 (1): 355–394. arXiv : 2006.02838 . Bibcode :2020ARNPS..70..355C. doi :10.1146/annurev-nucl-050520-125911. ISSN  0163-8998. S2CID  118475595 . Получено 4 сентября 2023 г. .

Дальнейшее чтение