Черная дыра с прямым коллапсом
Черные дыры с прямым коллапсом ( DCBH большой массы ) — это зародыши черных дыр , которые образуются в результате прямого коллапса большого количества материала. [2] [3] [4] [5] Предположительно они образовались в красных смещений диапазоне z =15–30, [6] когда Вселенной было около 100–250 миллионов лет. В отличие от зародышей, образовавшихся из первой популяции звезд (также известной как звезды Населения III ), зародыши черных дыр прямого коллапса образуются в результате прямой общей релятивистской нестабильности. Они очень массивны, с типичной массой при формировании ~ 10 5 M ☉ . [3] [7] Эта категория зародышей черных дыр изначально была предложена теоретически для облегчения проблемы создания сверхмассивных черных дыр уже при красном смещении z~7, что подтвердили многочисленные наблюдения на сегодняшний день. [1] [8] [9] [10] [11]
Формирование
[ редактировать ]Черные дыры с прямым коллапсом (DCBH) представляют собой массивные зародыши черных дыр, которые, как предполагается, образовались во Вселенной с большим красным смещением и имеют типичную массу при образовании ~ 10 5 M ☉ , но в диапазоне от 10 4 М ☉ и 10 6 М ☉ . Физические условия окружающей среды для формирования DCBH (в отличие от скопления звезд ) следующие: [3] [4]
- Безметалловый газ (газ, содержащий только водород и гелий ).
- Атомно-охлаждающий газ.
- Достаточно большой поток фотонов Лаймана-Вернера , чтобы разрушить молекулы водорода, которые являются очень эффективными охладителями газа. [12] [13]
Предыдущие условия необходимы, чтобы избежать охлаждения газа и, следовательно, фрагментации первичного газового облака. Не имея возможности фрагментироваться и образовывать звезды, газовое облако подвергается гравитационному коллапсу всей структуры, достигая чрезвычайно высокой плотности вещества в своем ядре, порядка ~10 7 г/см 3 . [14] При этой плотности объект испытывает 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 наименованию черной дыры прямого коллапса. Другими словами, эти объекты коллапсируют непосредственно из первичного газового облака, а не из звездного прародителя, как предписывают стандартные модели черных дыр. [15]
Компьютерное моделирование, о котором сообщалось в июле 2022 года, показало, что гало в редком сближении сильных холодных аккреционных потоков может создавать массивные зародыши черных дыр без необходимости использования ультрафиолетового фона, сверхзвуковых потоков или даже атомного охлаждения. Холодные потоки создавали турбулентность в гало, что подавляло звездообразование. В ходе моделирования в гало не образовались звезды до тех пор, пока оно не выросло до 40 миллионов солнечных масс при красном смещении 25,7, когда гравитация гало наконец смогла преодолеть турбулентность; затем гало рухнуло и образовало две сверхмассивные звезды , которые умерли как DCBH с массой 31 000 и 40 000 M ☉ . [16] [17]
Демография
[ редактировать ]Черные дыры с прямым коллапсом обычно считаются чрезвычайно редкими объектами во Вселенной с большим красным смещением, поскольку три фундаментальных условия их образования (см. выше в разделе «Формирование») сложно выполнить вместе в одном газовом облаке. [18] [19] Текущие космологические модели показывают, что DCBH могут быть столь же редкими, как и всего лишь одна на кубический гигапарсек при красном смещении 15. [19] Прогноз их плотности во многом 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
[ редактировать ]В 2016 году группа под руководством Гарвардского университета астрофизика Фабио Пачуччи определила первые два кандидата на черные дыры с прямым коллапсом: [21] [22] с использованием данных 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 будут иметь значительное превышение инфракрасного излучения по сравнению с другими категориями источников с высоким красным смещением. [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 звездно-коллапсирующих черных дыр
[ редактировать ]Первичная черная дыра является результатом прямого коллапса энергии, ионизированной материи или того и другого в эпоху инфляции или доминирования радиации , тогда как черная дыра прямого коллапса является результатом коллапса необычайно плотных и больших областей газа. [29] Обратите внимание, что черная дыра, образовавшаяся в результате коллапса звезды населения III, не считается «прямым» коллапсом.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б «Телескопы НАСА нашли ключ к разгадке того, как гигантские черные дыры образовались так быстро» . Пресс-центр . Рентгеновская обсерватория Чандра . 24 мая 2016 г. Проверено 27 августа 2020 г.
- ^ Леб, Авраам; Расио, Фредерик А. (1 сентября 1994 г.). «Коллапс первичных газовых облаков и образование квазарных черных дыр» . Астрофизический журнал . 432 : 52–61. arXiv : astro-ph/9401026 . Бибкод : 1994ApJ...432...52L . дои : 10.1086/174548 . S2CID 17042784 .
- ^ Jump up to: а б с Бромм, Волкер; Леб, Авраам (1 октября 2003 г.). «Образование первых сверхмассивных черных дыр» . Астрофизический журнал . 596 (1): 34–46. arXiv : astro-ph/0212400 . Бибкод : 2003ApJ...596...34B . дои : 10.1086/377529 . S2CID 14419385 .
- ^ Jump up to: а б Лодато, Джузеппе; Натараджан, Приямвада (1 октября 2006 г.). «Образование сверхмассивных черных дыр при сборке догалактических дисков» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 371 (4): 1813–1823. arXiv : astro-ph/0606159 . Бибкод : 2006MNRAS.371.1813L . дои : 10.1111/j.1365-2966.2006.10801.x . S2CID 13448595 .
- ^ Сигел, Итан. « Чёрные дыры «прямого коллапса» могут объяснить загадочные квазары нашей Вселенной» . Форбс . Проверено 27 августа 2020 г.
- ^ 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 .
- ^ Рис, Мартин Дж.; Волонтери, Марта (1 апреля 2007 г.). «Массивные черные дыры: формирование и эволюция» . Черные дыры от звезд до галактик – во всем диапазоне масс . 238 : 51–58. arXiv : astro-ph/0701512 . Бибкод : 2007IAUS..238...51R . дои : 10.1017/S1743921307004681 . S2CID 14844338 .
- ^ Баньядос, Эдуардо; Венеманс, Брэм П.; Маццучелли, Кьяра; Фарина, Эмануэле П.; Уолтер, Фабиан; Ван, Файги; Декарли, Роберто; Стерн, Дэниел; Фань, Сяохуэй; Дэвис, Фредерик Б.; Хеннави, Джозеф Ф. (01 января 2018 г.). «Чёрная дыра массой 800 миллионов солнечных в нейтральной Вселенной с красным смещением 7,5» . Природа . 553 (7689): 473–476. arXiv : 1712.01860 . Бибкод : 2018Natur.553..473B . дои : 10.1038/nature25180 . ПМИД 29211709 . S2CID 205263326 .
- ^ Фань, Сяохуэй; Нарайанан, Виджай К.; Луптон, Роберт Х.; Штраус, Майкл А.; Кнапп, Джиллиан Р.; Беккер, Роберт Х.; Уайт, Ричард Л.; Пентериччи, Лаура; Леггетт, СК; Хайман, Золтан; Ганн, Джеймс Э. (1 декабря 2001 г.). «Обзор квазаров z>5,8 в Слоанском цифровом обзоре неба. I. Открытие трех новых квазаров и пространственная плотность светящихся квазаров в точке z~6» . Астрономический журнал . 122 (6): 2833–2849. arXiv : astro-ph/0108063 . Бибкод : 2001AJ....122.2833F . дои : 10.1086/324111 . S2CID 119339804 .
- ^ Ян, Цзиньи; Ван, Файги; Фань, Сяохуэй; Хеннави, Джозеф Ф.; Дэвис, Фредерик Б.; Юэ, Минхао; Банадос, Эдуардо; У, Сюэ-Бин; Венеманс, Брэм; Барт, Аарон Дж.; Бянь, Фуян (01 июля 2020 г.). «Пониуаэна: светящийся квазар с z = 7,5, содержащий черную дыру с массой 1,5 миллиарда солнечных» . Письма астрофизического журнала . 897 (1): Л14. arXiv : 2006.13452 . Бибкод : 2020ApJ...897L..14Y . дои : 10.3847/2041-8213/ab9c26 . S2CID 220042206 .
- ^ «Чёрная дыра-монстр, обнаруженная в ранней Вселенной» . Обсерватория Джемини . 24 июня 2020 г. Проверено 6 сентября 2020 г.
- ^ Риган, Джон А.; Йоханссон, Питер Х.; Уайз, Джон Х. (01 ноября 2014 г.). «Прямой коллапс затравки массивной черной дыры под воздействием анизотропного источника Лаймана – Вернера» . Астрофизический журнал . 795 (2): 137. arXiv : 1407.4472 . Бибкод : 2014ApJ...795..137R . дои : 10.1088/0004-637X/795/2/137 . S2CID 119119172 .
- ^ Сугимура, Казуюки; Омукай, Казуюки; Иноуэ, Акио К. (1 ноября 2014 г.). «Критическая интенсивность излучения для образования черной дыры прямого коллапса: зависимость от формы спектра излучения» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 445 (1): 544–553. arXiv : 1407.4039 . Бибкод : 2014MNRAS.445..544S . дои : 10.1093/mnras/stu1778 . S2CID 119257740 .
- ^ Jump up to: а б Монтеро, Педро Дж.; Янка, Ханс-Томас; Мюллер, Эвальд (1 апреля 2012 г.). «Релятивистский коллапс и взрыв вращающихся сверхмассивных звезд с термоядерными эффектами» . Астрофизический журнал . 749 (1): 37. arXiv : 1108.3090 . Бибкод : 2012ApJ...749...37M . дои : 10.1088/0004-637X/749/1/37 . S2CID 119098587 .
- ^ Натараджан, Приямвада (2018). «Загадка первых черных дыр» . Научный американец . 318 (2): 24–29. doi : 10.1038/scientificamerican0218-24 . ПМИД 29337944 . Архивировано из оригинала 16 января 2018 г.
- ^ «Раскрытие происхождения первых сверхмассивных черных дыр». Природа . 6 июля 2022 г. doi : 10.1038/d41586-022-01560-y . ПМИД 35794378 .
Современное компьютерное моделирование показывает, что первые сверхмассивные черные дыры родились в редких турбулентных резервуарах газа в первичной Вселенной без необходимости в тонко настроенной экзотической среде — вопреки тому, что считалось на протяжении почти двух десятилетий.
- ^ «Ученые выяснили, как образовались первые квазары во Вселенной» . физ.орг . Предоставлено Университетом Портсмута. 6 июля 2022 г. Проверено 2 августа 2022 г.
- ^ Агарвал, Бхаскар; Далла Веккья, Клаудио; Джонсон, Джарретт Л.; Хочфар, Садег; Паардекупер, Ян-Питер (1 сентября 2014 г.). «Проект «Первый миллиард лет»: места рождения черных дыр прямого коллапса» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 443 (1): 648–657. arXiv : 1403.5267 . Бибкод : 2014MNRAS.443..648A . дои : 10.1093/mnras/stu1112 . S2CID 119278181 .
- ^ Jump up to: а б с Хабузи, Мелани; Волонтери, Марта; Латиф, Мухаммед; Дюбуа, Йохан; Пейрани, Себастьян (01 ноября 2016 г.). «О плотности зародышей черных дыр «прямого коллапса»» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 463 (1): 529–540. arXiv : 1601.00557 . Бибкод : 2016MNRAS.463..529H . дои : 10.1093/mnras/stw1924 . S2CID 118409029 .
- ^ Латиф, Массачусетс; Бовино, С.; Грасси, Т.; Шлейхер, ДРГ; Спаанс, М. (01 января 2015 г.). «Насколько реалистичные УФ-спектры и рентгеновские лучи подавляют обилие черных дыр прямого коллапса» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 446 (3): 3163–3177. arXiv : 1408.3061 . Бибкод : 2015MNRAS.446.3163L . дои : 10.1093/mnras/stu2244 . S2CID 119219917 .
- ^ Jump up to: а б Пауччи, Фабио; Феррара, Андреа; Грациан, Андреа; Фиоре, Фабрицио; Джаллонго, Эмануэле; Пуччетти, Симонетта (01 июня 2016 г.). «Первая идентификация кандидатов в черные дыры прямого коллапса в ранней Вселенной в CANDELS/GOODS-S» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 459 (2): 1432–1439. arXiv : 1603.08522 . Бибкод : 2016MNRAS.459.1432P . дои : 10.1093/mnras/stw725 . S2CID 118578313 .
- ^ «Первые кандидаты в черные дыры с прямым коллапсом» . Фабио Пачуччи . Проверено 29 сентября 2020 г.
- ^ Нортон, Карен (24 мая 2016 г.). «Телескопы НАСА нашли ключ к разгадке того, как гигантские черные дыры образовались так быстро» . НАСА . Проверено 28 сентября 2020 г.
- ^ «Тайна сверхмассивных черных дыр может быть раскрыта» . www.cbsnews.com . 25 мая 2016 года . Проверено 28 сентября 2020 г.
- ^ «Тайна массивных черных дыр может быть раскрыта с помощью телескопов НАСА» . Новости АВС . Проверено 28 сентября 2020 г.
- ^ Рейнольдс, Эмили (25 мая 2016 г.). «Хаббл обнаружил ключ к пониманию того, как формируются сверхмассивные черные дыры» . Проводная Великобритания . ISSN 1357-0978 . Проверено 28 сентября 2020 г.
- ^ Пауччи, Фабио; Феррара, Андреа; Волонтери, Марта; Дюбюс, Гийом (01 декабря 2015 г.). «Сияние в темноте: спектральная эволюция первых черных дыр» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 454 (4): 3771–3777. arXiv : 1506.05299 . Бибкод : 2015MNRAS.454.3771P . дои : 10.1093/mnras/stv2196 . S2CID 119187129 .
- ^ 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 .
- ^ Карр, Бернард; Кюнель, Флориан (19 октября 2020 г.). «Первичные черные дыры как темная материя: последние события» . Ежегодный обзор ядерной науки и науки о элементарных частицах . 70 (1): 355–394. arXiv : 2006.02838 . Бибкод : 2020ARNPS..70..355C . doi : 10.1146/annurev-nucl-050520-125911 . ISSN 0163-8998 . S2CID 118475595 . Проверено 4 сентября 2023 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Пандей, Канхайя Л.; Мангалам, А. (2018). «Роль первичных черных дыр в сценарии прямого коллапса образования сверхмассивных черных дыр при высоких красных смещениях». Журнал астрофизики и астрономии . 39 (1): 9. arXiv : 1801.06649 . Бибкод : 2018JApA...39....9P . дои : 10.1007/s12036-018-9513-x . S2CID 255489158 .
- Майер, Лусио; Боноли, Сильвия (2019). «Путь к образованию массивных черных дыр посредством прямого коллапса, вызванного слиянием: обзор». Отчеты о прогрессе в физике . 82 (1): 016901. arXiv : 1803.06391 . Бибкод : 2019РПФ...82а6901М . дои : 10.1088/1361-6633/aad6a5 . ПМИД 30057369 . S2CID 51865966 .
- Хеммерле, Лионель; Хегер, Александр; Вудс, Тайрон Э. (2020). «О монолитных сверхмассивных звездах» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 494 (2): 2236–2243. arXiv : 2003.10467 . дои : 10.1093/mnras/staa763 .
