Нова версія появи перших чорних дір у Всесвіті: потрібна гравітація, а не зірки

Чорні діри можуть бути невидимими, але їхній вплив формує галактики та сучасні технології. Таку заяву зробила минулого тижня Пріямвада Натараджан, астрофізик з Єльського університету, під час виступу на Всесвітньому економічному форумі в Давосі, Швейцарія. Натараджан, чиї дослідження зосереджені на космології та фізиці чорних дір, розповіла про те, як вивчення чорних дір змінило розуміння Всесвіту і непомітно лягло в основу повсякденних технологій. Також астрофізик запропонувала нову версію того, як з'явилися перші надмасивні чорні діри, що потенційно вирішує давню загадку, пише Space.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Чорні діри та GPS

"Чорні діри мають дуже тісний зв'язок із кожним із вас. Ви потрапили сюди, у Давос, тому що ті самі рівняння, які пояснюють чорні діри, фактично керують GPS", — заявила Натараджан під час виступу на Всесвітньому економічному форумі в Давосі.

Ці рівняння взяті із загальної теорії відносності Ейнштейна, яка описує, як маса об'єктів викривляє простір і час. Хоча чорні діри є найбільш екстремальним проявом теорії відносності, та ж математика необхідна для розрахунку тонких відмінностей у часі, які спостерігають супутники на орбіті.

Годинники на борту супутників GPS йдуть трохи швидше, ніж годинники на Землі, тому що вони знаходяться далі від гравітаційного тяжіння нашої планети. Без урахування цих релятивістських ефектів помилки в навігації швидко накопичувалися б, роблячи GPS ненадійним.

Але більшу частину XX століття чорні діри розглядалися здебільшого як розв'язки рівнянь Ейнштейна без чітких наглядових доказів. Усе змінилося в 60-х роках минулого століття, коли вчені виявили перших кандидатів у чорні діри.

Загадка надмасивних чорних дір

Тепер астрономи знають, що в центрі більшості великих галактик, включно з Чумацьким Шляхом, знаходиться надмасивна чорна діра. Маса таких чорних дір у мільйони і міріади разів більша за масу Сонця, і вона тісно пов'язана з властивостями галактик, де розташовані ці величезні чорні діри.

Водночас астрономи виявили одну загадку. Надмасивні чорні діри вже існували, коли Всесвіту було лише кілька сотень мільйонів років. Їхні величезні розміри та швидке зростання кидають виклик традиційним теоріям. Вони передбачають, що такі чорні діри можуть вирости поступово за рахунок злиття і поглинання інших чорних дір. Але при цьому початкові чорні діри мають з'явитися після смерті масивних зірок. Але для того, щоб чорні діри стали надмасивними, їм необхідний щонайменше 1 мільярд років постійного зростання. Тому залишається загадкою, яким чином з'явилися ці космічні гіганти.

Як з'явилися перші масивні чорні діри: нова версія

Натараджан та її колеги запропонували свою версію утворення перших чорних дір у Всесвіті без участі зірок. Астрофізики вважають, що за певних умов первозданні газові хмари, з яких виникають зірки шляхом стиснення під дією гравітації, натомість повністю стискалися до неймовірно щільних об'єктів і в такий спосіб з'явилися масивні чорні діри.

Ці об'єкти, відомі як чорні діри прямого колапсу, вже через кілька сотень мільйонів років після Великого вибуху, мали масу в десятки і сотні тисяч разів більшу, ніж у Сонця. Це означає, що надмасивні чорні діри мали масивну основу для свого подальшого зростання за коротший період, ніж 1 мільярд років.

Понад десять років Натараджан передбачила, що ці ранні чорні діри залишать характерні спостережні сліди, які зможуть виявити майбутні обсерваторії, включно з космічним телескопом Вебб. Коли цей телескоп розпочав роботу у 2022 році ці передбачення почали підтверджуватися.

• Одним із яскравих прикладів є галактика UHZ1, спостереження за якою показали, що надмасивні чорні діри вже існували всього через 470 мільйонів років після Великого вибуху. При цьому центральна чорна діра в цій галактиці вже мала масу, що в 10 мільйонів разів перевищує масу Сонця, через майже 500 млн років після народження Всесвіту.
• Іншим прикладом є так звана галактика Нескінченність, також відома як "Космічна сова". Це пара галактик, що взаємодіють, розташована приблизно за 8 мільярдів світлових років від нас. Цю галактику виявив телескоп Вебб торік і вважається, що вона містить один із перших прикладів формування чорної діри шляхом прямого колапсу.

Учені виявили два компактних галактичних ядра, оточених кільцеподібними структурами, які, ймовірно, утворилися внаслідок лобового зіткнення двох галактик. Між ними знаходиться надмасивна чорна діра, розташована не в центрі жодної з галактик, а у величезному газовому резервуарі. Це означає, як вважають учені, що вона утворилася внаслідок прямого стиснення під дією гравітації щільного турбулентного газу, спричиненого зіткненням галактик.

Як уже писав Фокус, у Чумацькому Шляху розбігаються зірки, і астрономи з'ясували, що відбувається.

Також Фокус писав про рекорди, які встановлять астронавти NASA під час подорожі до Місяця вже найближчим часом.