Активные сверхмассивные черные дыры могут способствовать образованию массивных планет

Популярный миф о чёрных дырах гласит, что они действуют как гигантские космические пылесосы, засасывая всё вокруг себя. Но исследование Владимира Лиры обнаружило новый механизм вокруг сверхмассивных черных дыр, который больше похож на космические ясли, в которых рождаются планеты более массивные, чем Юпитер.

«Мы находим объекты, масса которых в тысячу раз превышает массу Земли, но при этом они состоят из чистой пыли, — говорит Лира. — И не только это, но и то, что масса некоторых из этих объектов приближается к массе Солнца».

Лира, доцент кафедры астрономии в Университете штата Нью-Мексико, начала заниматься этим направлением исследований в 2010 году в качестве постдока, сотрудничая с Барри Маккернаном, Саавиком Фордом и Мордехаем-Марком Мак Лоу из Американского музея естественной истории.

Бхупендра Мишра, который в настоящее время работает в подготовительной школе Санта-Фе, присоединился к команде Лиры. Результатом их совместной работы стала статья "Тороидальные структуры активных галактических ядер: потенциальное место рождения миллионов планет. Среди соавторов — Маккернан, Мак Лоу, Форд и Харрисон Э. Кук.

Пылевые миры в дисках вокруг черных дыр

«Мы выдвинули гипотезу, что маломассивные черные дыры, вращающиеся вокруг диска сверхмассивных черных дыр, будут вести себя так же, как планетарные эмбрионы, или протопланеты, ведут себя вокруг Солнца», — объяснила Лира.

«Они будут мигрировать, менять свою орбиту, сталкиваться с другими протопланетами и образовывать более крупные объекты. Это совершенно иной способ формирования массивных черных дыр, не похожий ни на что другое во Вселенной. Мы разработали эту идею в полноценную теорию». Это явление известно как «канал активного ядра галактики», и в его пользу накопилось множество убедительных наблюдений.

Команда Лиры обнаружила, что во внешних областях аккреционных дисков вокруг сверхмассивных черных дыр могут существовать условия, схожие с теми, что наблюдаются в аккреционных дисках вокруг молодых звезд. Как и в протопланетных дисках, в дисках вокруг сверхмассивных черных дыр есть объекты планетарной массы, состоящие из чистой пыли.

С помощью компьютерной модели команда Лиры смоделировала условия во внешних областях этих дисков и выяснила, как пыль слипается и как зарождающиеся планеты растут на протяжении миллионов лет.

От гигантских планет до звезд

«Самым большим сюрпризом стало количество планет и их размеры — насколько огромными и тяжелыми они могут быть за время существования активных галактических ядер», — сказал Мишра.

Компьютерное моделирование показывает, как компактная центральная область галактики, известная как активное галактическое ядро (АЯГ), генерирует огромное количество энергии за счет материи, падающей в сверхмассивную черную дыру. Пыль и газ нагреваются и ярко светятся, образуя массивные экзопланеты.

Поскольку эти экзопланеты очень массивны, они находятся в диапазоне, при котором могут запустить термоядерный синтез и превратиться в звезды.

«Это механизм формирования звезд, который мы открыли впервые», — сказала Лира. «Обычно звезды формируются в результате процесса, который мы называем гравитационным коллапсом. Это процесс, при котором вещество сжимается сверху вниз. Вы формируете газ, у вас есть большое газовое облако, оно слишком плотное, поэтому сжимается под собственным весом». Обычно все начинается с чего-то большого, что сжимается и образует звезду.

"Наш механизм противоположен этому. Вы формируетесь снизу вверх. Сначала вы формируете строительные блоки, затем аккрецируете газ, и — бац! — у вас получается звезда."

Путь к сверхмассивным черным дырам

Команда Лиры считает, что такая среда идеально подходит для формирования крупных звезд, которые могут коллапсировать в черные дыры. Эти черные дыры могут в конечном итоге столкнуться и образовать сверхмассивные черные дыры (в несколько сотен раз больше массы Солнца).

"Эти черные дыры огромны," — сказал Мишра. "Они в сотни или тысячи раз больше солнца, и если они начнут двигаться к центру, они также будут излучать сигнал, который, вероятно, будет обнаружен LISA (космической антенной лазерного интерферометра), представляющий собой сигнал гравитационной волны".

LISA — это будущая космическая обсерватория, запуск которой Европейское космическое агентство планирует осуществить в середине 2030-х годов. Она будет состоять из трех идентичных космических аппаратов, которые будут летать в форме равностороннего треугольника и стрелять друг в друга лазерными лучами. LISA предназначена для обнаружения и измерения гравитационных волн — невидимых колебаний в ткани пространства-времени, вызванных масштабными космическими событиями.

«Эти массы искривляют пространство-время, поэтому, когда две черные дыры вращаются вокруг друг друга, они изменяют ткань пространства так, что оно колеблется, как волны», — сказала Лира. «Эйнштейн предсказал существование этих гравитационных волн, когда сформулировал общую теорию относительности. Это открыло новое окно во Вселенную, но теперь черные дыры перестали быть черными. Мы можем наблюдать эти гравитационные волны».

Микролинзирование как метод проверки

Как команда Лиры докажет свою теорию? Ключ к разгадке лежит в том, о чем Альберт Эйнштейн задумался в 1912 году и о чем неохотно написал 24 года спустя в журнале Science. Это явление называется микролинзированием: массивный объект, который часто остается невидимым, действует как космическая лупа, усиливая яркость фоновой звезды, что позволяет проверить существование новых теоретических объектов.

В этом случае, предсказав уникальный наблюдаемый «паттерн яркости» (кривую блеска), соответствующий конкретному теоретическому объекту, ученые могут искать в астрономических данных соответствующий «отпечаток», чтобы подтвердить свою теорию.

«Эйнштейн считал, что это явление никогда не удастся обнаружить, потому что его сигнатура настолько мала, но его теория дала толчок развитию целого нового направления, — сказала Лира. — Это один из основных методов, которые мы используем для поиска экзопланет». Сейчас в рамках миссии NASA стоимостью миллиард долларов разрабатывается космический телескоп «Нэнси Грейс Роман», который с помощью этого метода нанесет на карту множество экзопланет.

"В нашей статье мы предполагаем, что этот метод также можно использовать, чтобы доказать, что наша теория может быть верна, потому что, когда планеты, вращающиеся вокруг диска активного ядра галактики, проходят по лучу зрения, они действуют как гравитационная линза для яркого активного ядра галактики."

Следующие симуляции и данные телескопа «Нэнси Грейс Роман»

NASA запустит космический телескоп «Нэнси Грейс Роман» в августе. Его поле зрения в 100–200 раз больше, чем у космического телескопа «Хаббл». Оснащенный 300-мегапиксельной инфракрасной камерой, «Роман» сможет делать панорамные снимки Вселенной с высоким разрешением.

Но команда не ждет этого момента: она уже планирует следующее компьютерное моделирование, которое будет сосредоточено на прогнозировании электромагнитных аналогов гравитационно-волновых событий.

«Наш план состоит в том, чтобы создать этот сценарий в полноценной компьютерной модели, где у нас есть черная дыра, газ движется по спирали, а магнитные поля создают турбулентность в реальной симуляции», — сказал Мишра. «Это будет чрезвычайно сложная симуляция, и это наш следующий шаг».

Телеграм: t.me/ainewsline

Источник: vk.com

Комментарии: