Активні надмасивні чорні діри можуть сприяти утворенню великих планет

Більшість науковців вважає, що надмасивні чорні діри заважають утворенню зір та планет, поглинаючи з простору речовину, з якої вони могли сформуватися. Однак нещодавнє дослідження показує, що все може бути навпаки.

Пилові світи в акреційних дисках чорних дір

Поширеним міфом про чорні діри є те, що вони діють як гігантські космічні пилососи, засмоктуючи все навколо себе. Однак модельні дослідження Володимира Ліри розглядають новий можливий механізм утворення дуже масивних планетоподібних тіл, масивніших за Юпітер, навколо надмасивних чорних дір у газопиловому диску активного галактичного ядра. Про це повідомляє сайт phys.org.

Ліра, доцент кафедри астрономії в Університеті штату Нью-Мексико, опублікував свою статтю «Тори активних ядер галактик: потенційне місце народження мільйонів планет» разом із Бхупендрою Мішрою, який наразі працює в підготовчій школі Санта-Фе.

Астрономи висунули гіпотезу, що чорні діри зоряної маси, які рухаються в газовому диску навколо надмасивної чорної діри, можуть мігрувати під дією речовини диска, змінювати свої орбіти та частіше зближуватися одна з одною. Такі зближення можуть завершуватися злиттями, унаслідок яких утворюються дедалі масивніші чорні діри. Цей сценарій став основою так званого «каналу активних галактичних ядер» — одного з можливих механізмів ієрархічного зростання чорних дір. Однак поки що це теоретичний сценарій.

Команда Ліри виявила, що у зовнішніх областях акреційних дисків навколо надмасивних чорних дір можуть панувати умови, подібні до тих, що спостерігаються в акреційних дисках навколо молодих світил. Подібно до протопланетних дисків, ці області можуть містити значну кількість пилу, який під дією гравітації здатен збиратися у дедалі більші скупчення.

За допомогою комп’ютерної моделі команда Ліри змоделювала умови у зовнішніх областях цих дисків і з’ясувала, як пил може згущуватися у скупчення, утворюючи планетоподібні тіла, і як вони здатні рости протягом мільйонів років.

Перетворення гігантських планет на зорі

 «Найбільшою несподіванкою стала кількість планет та їхні розміри — те, наскільки величезними й масивними вони можуть стати протягом періоду існування активних ядер галактик», — зазначив Мішра.

Комп’ютерне моделювання показує, що в зовнішніх областях акреційного диска активного ядра галактики (AGN) можуть виникати умови, сприятливі для формування великих тіл із пилу. Енергія, яку вивільняє речовина під час падіння в надмасивну чорну діру, нагріває газ і пил у диску, а його структура та температура визначають, де можуть формуватися й рости такі об’єкти.

За розрахунками, їхня маса в окремих випадках може значно перевищувати масу звичайних планет і наближатися до мас коричневих карликів або навіть зір. Якщо таке тіло накопичить достатньо речовини, воно теоретично може перетворитися на коричневий карлик або зорю, запустивши відповідні термоядерні реакції.

«Це механізм утворення світил, який ми відкрили вперше, — сказав Ліра. — Зазвичай зорі утворюються в результаті так званого гравітаційного колапсу. Це процес «зверху вниз»: спочатку утворюється газ, з’являється велика хмара газу, яка виявляється надто щільною, тому колапсує під власною вагою. Зазвичай все починається з чогось великого, що колапсує, утворюючи зорю. Наш механізм працює навпаки. Формування відбувається знизу вгору. Спочатку утворюються будівельні блоки, потім до них приєднується газ, і зрештою утворюється зоря».

Надмасивні чорні діри та їх можливе виявлення місією LISA

Команда Ліри вважає, що таке середовище було б ідеальним для утворення великих світил, які могли б колапсувати в чорні діри. Ці чорні діри з часом могли б злитися, утворивши надмасивні чорні діри (масою в кілька сотень разів більшою за сонячну).

«Ці чорні діри просто гігантські, — зазначив Мішра. — Вони у сотні чи тисячі разів більші за Сонце, і якщо вони почнуть рухатися до центру, то також генеруватимуть сигнал, який, ймовірно, буде зафіксований LISA (космічною антеною на основі лазерного інтерферометра) — це буде сигнал гравітаційних хвиль».

LISA — це майбутня космічна обсерваторія, запуск якої Європейська космічна агенція планує здійснити в середині 2030-х років. Вона складатиметься з трьох однакових космічних апаратів, що рухатимуться у формі рівностороннього трикутника та обмінюватимуться між собою лазерними променями. LISA призначена для виявлення та вимірювання гравітаційних хвиль — невидимих пульсацій у структурі простору-часу, спричинених масштабними космічними подіями.

Мікролінзування як метод перевірки теорії

Астрономи хочуть перевірити свою теорію за допомогою явища мікролінзування. Воно виникає, коли гравітація масивного об’єкта відхиляє світло від далекої фонової зорі, через що її видима яскравість на певний час змінюється. Це дає змогу виявляти навіть об’єкти, які важко або неможливо спостерігати безпосередньо.

У цьому випадку, прогнозуючи унікальну, спостережувану «картину яскравості» (криву яскравості), що відповідає конкретному теоретичному об’єкту, науковці можуть шукати відповідний «відбиток» в астрономічних даних, щоб довести свою теорію.

Якщо певний теоретичний об’єкт справді існує, його проходження перед фоновою зорею має залишити характерний «відбиток»в астрономічних даних події, а саме у вигляді кривої блиску. Виявлення такого сигналу стало б важливим свідченням на користь запропонованого сценарію.

«Ейнштейн вважав, що це ніколи не вдасться спостерігати, оскільки цей «відбиток» надто слабкий, але його теорія дала поштовх цілій новій галузі, — зазначив Ліра. — Це одна з основних методик, які ми використовуємо для пошуку екзопланет. Зараз існує місія NASA вартістю в мільярд доларів — космічний телескоп імені Ненсі Грейс Роман, який за допомогою цієї методики складе карту низки екзопланет».

Дослідники припускають, що цей ефект також можна використати для перевірки теорії. Якщо планетоподібні об’єкти справді формуються в диску активного ядра галактики (AGN), то деякі з них час від часу можуть опинятися поблизу лінії зору між Землею та яскравою центральною областю AGN. Їхня гравітація тоді діятиме як мікролінза, тимчасово змінюючи видиму яскравість ядра. Характер таких змін можна порівняти з прогнозами моделі.

Наступні моделювання надмасивних чорних дір

Наприкінці серпня NASA планує запустити космічний телескоп Roman. Його інфрачервона камера має поле зору приблизно у 100 разів більше, ніж інфрачервоні інструменти Hubble, а сама матриця налічує близько 300 мегапікселів. Це дозволить Roman проводити масштабні огляди неба й одночасно виявляти велику кількість слабких об’єктів та подій мікролінзування.

Тим часом команда вже готує наступні комп’ютерні моделі. У них науковці хочуть детальніше відтворити фізичні умови поблизу надмасивної чорної діри: рух газу в акреційному диску, його турбулентність і складну структуру магнітних полів. Такі розрахунки допоможуть передбачити, які електромагнітні сигнали можуть супроводжувати злиття чорних дір у диску активного галактичного ядра і чи зможуть майбутні спостереження їх виявити.