Як утворюються та розвиваються з часом чорні діри в центрах галактик? Щоб відповісти на це запитання, науковцям потрібно виявити та дослідити надмасивні чорні діри, розташовані на величезній відстані, світло від яких іде до нас мільярди років. Нове дослідження свідчить, що космічний телескоп NASA імені Ненсі Грейс Роман, запуск якого запланований на 30 серпня 2026 року, зможе виявити ці далекі об’єкти, які існували вже 11 млрд років тому.
Нові можливості телескопа Ненсі Грейс Роман
Надмасивні чорні діри найкраще досліджувати, спостерігаючи за світлом, що випромінюється їхніми акреційними дисками — речовиною, яка кружляє навколо них, перш ніж бути поглинутою. Газ і пил, що обертаються навколо них, утворюють розпечений акреційний диск, який випромінює величезну кількість світла. Легші надмасивні чорні діри важко спостерігати, оскільки вони зазвичай менш яскраві через нижчі темпи акреції. Іноді ситуація різко змінюється: якщо зоря підлітає надто близько, припливні сили розривають її на частини, а частина речовини починає падати на чорну діру. Внаслідок цього виникає надзвичайно яскравий спалах, який може тимчасово світити яскравіше за всю галактику. Таке явище називають припливним руйнуванням зорі (tidal disruption event, TDE).
Як зазначає сайт phys.org, визначивши характеристики цієї популяції ранніх надмасивних чорних дір та з’ясувавши, як вони еволюціонують і ростуть протягом мільярдів років, проєкт телескопа Roman допоможе астрономам перевірити сучасні теорії їхнього походження та з’ясувати, який зі сценаріїв є найімовірнішим.
«Космічний телескоп Roman стане справжньою революцією для науки про перехідні явища, — зазначив головний автор дослідження Мітчелл Кармен з Університету Джонса Гопкінса, аспірант та стипендіат Національного наукового фонду. — Завдяки високій чутливості Roman ми зможемо виявляти численні випадки припливного руйнування на більших відстанях і в набагато давніші космічні епохи, ніж будь-коли раніше».
Явище припливного руйнування зір від чорних дір
Проєкт Roman’s High-Latitude Time-Domain Survey — одне з трьох основних обсерваторських досліджень — особливо добре підходить для виявлення та вивчення припливних руйнувань у ранньому Всесвіті. Це дослідження охоплюватиме приблизно 18 квадратних градусів неба — площу, еквівалентну 90 повним місяцям, — з регулярною періодичністю. Повторно досліджуючи одні й ті самі ділянки, астрономи зможуть виявити велику кількість тимчасових явищ, таких як TDE.
Припливні руйнування зір найчастіше відбуваються поблизу надмасивних чорних дір масою приблизно від 100 тис. до 100 млн Сонць. Якщо чорна діра значно масивніша, її горизонт подій настільки великий, що зоря може бути поглинута майже цілком ще до того, як припливні сили встигнуть розірвати її назовні. Натомість легші надмасивні чорні діри розривають зорю на частини, після чого частина її речовини утворює гарячий акреційний диск. Саме він породжує яскравий спалах, світність якого наростає протягом кількох тижнів, а потім поступово згасає впродовж місяців або навіть років.
Частота припливних руйнувань змінюється протягом космічної історії. Раніше вважали, що в молодому Всесвіті такі події траплялися рідше, адже більшість чорних дір ще не досягли достатньої маси. Нова модель враховує еволюцію галактик, частоту їхніх злиттів, кількість зір у галактичних ядрах і щільність їхнього розподілу, що дозволяє точніше оцінити, як змінювалася частота TDE з часом.
Кармен та його колеги змоделювали ці та інші ефекти, щоб передбачити, скільки випадків припливного руйнування зможе спостерігати Roman, а також скільки таких випадків зможуть зафіксувати інші обсерваторії, зокрема наземна обсерваторія імені Вери С. Рубін, що належить Національному науковому фонду та Міністерству енергетики, й космічний телескоп NASA імені Джеймса Вебба. Команда прогнозує, що астрономи спостерігатимуть зростання частоти випадків припливного руйнування зір у міру того, як Roman досліджуватиме все більші відстані та все більш ранні періоди аж до «космічного полудня» — приблизно 11–12 млрд років тому, коли у всьому Всесвіті відбувався пік зореутворення, — після чого частота знову почне зменшуватися.
Допомога інших обсерваторій у виявленні TDE
Roman спостерігатиме Всесвіт у ближньому інфрачервоному діапазоні. Світло від далеких припливних руйнувань зір унаслідок розширення Всесвіту зміщується до довших хвиль — явища, відомого як космологічне червоне зміщення. Саме тому телескоп оптимізований для виявлення таких подій на відстанях, з яких їхнє світло подорожувало до Землі приблизно від 8 до 11 млрд років.
Обсерваторія Вери Рубін також скануватиме великі ділянки неба й виявлятиме численні випадки припливного руйнування. Однак вона працюватиме у видимому діапазоні, тому зможе спостерігати лише такі події, що відбуваються значно ближче до нас, ніж ті, які буде здатний виявити Roman.
Дослідження команди Кармен показує, що Обсерваторія Вери Рубін виявлятиме від тисяч до десятків тисяч TDE на рік. Хоча очікується, що Roman виявлятиме до 100 TDE на рік, ці чорні діри будуть розташовані набагато далі. Саме ці ранні космічні епохи містять ключову інформацію, яка допоможе перевірити різні сценарії формування перших надмасивних чорних дір.
Дві теорії походження надмасивних чорних дір
Астрономи спостерігали справді гігантські чорні діри на дуже ранньому етапі історії Всесвіту — настільки ранньому, що теорії не можуть пояснити, як вони могли стати такими великими за такий короткий час. Вочевидь, спочатку вони були меншими і з часом зростали, але наскільки меншими?
Одна з теорій, відома як «легкі зародки», виходить з того, що чорні діри утворюються в результаті загибелі масивних світил. Маса таких чорних дір може досягати кількох сотень мас нашого Сонця. Згодом ці чорні діри зливаються між собою, а також поглинають навколишній газ із шаленою швидкістю. За цим сценарієм можна очікувати, що кожна молода галактика матиме у своєму центрі масивну чорну діру.
Друга теорія, відома як «важкі зародки», припускає, що чорна діра може утворитися з набагато більшою масою — до мільйона разів більшою за масу нашого Сонця — в результаті такого процесу, як безпосередній колапс газової хмари. Однак цей процес має бути менш поширеним, що призведе до того, що надмасивні чорні діри будуть набагато рідкіснішими в ранніх галактиках.
«Події припливного руйнування допомагають нам досліджувати популяцію легких надмасивних чорних дір, що, у свою чергу, може допомогти нам розрізнити ці моделі», — сказав Кармен.
Зрештою, дані Roman про події припливного руйнування допоможуть дослідникам простежити глобальні ефекти, що впливають на популяцію чорних дір з плином часу. Коли обидві обсерваторії розпочнуть регулярну наукову діяльність, команда зможе порівняти свої прогнози з фактичними даними, отриманими цими телескопами.
