7 Minutės
Ankstyvoji Visata galbūt leido juodosioms skylėms augti būdais, kurie šiandien nebevyksta. Naujos hidrodinaminės simuliacijos kelia abejonių, ar juodųjų skylių susijungimai arba pastovus, Eddingtono ribojamas akrecijos procesas gali paaiškinti milijardų Saulės masių juodąsias skyles, pastebėtas, kai kosmosas buvo jaunesnis nei milijardas metų.
Milžiniškos juodosios skylės ten, kur jų nesitikėjome
Supermasyvios juodosios skylės yra beveik kiekvienos mūsų stebimos galaktikos centre. Pavyzdžiui, Paukščių Takas talpina apie keturių milijonų Saulės masių objektą, esantį maždaug 27 000 šviesmečių nuo Žemės. Kitos galaktikos slepia dar didesnius monstrus: garsiai užfiksuota M87 galaktikos juodoji skylė sveria maždaug 6,5 milijardo Saulės masių, o didžiausi kandidatai viršija 40 milijardų Saulės masių ribą. Tokie pavyzdžiai rodo, kad juodųjų skylių masės gali skirtis labai plačiai ir kad egzistuoja objektais, kurių masės mus vis dar verčia permąstyti galaktikų ir juodųjų skylių formavimosi teorijas.
Tradiciniai formavimosi keliai — hierarchinė galaktikų surinktis ir juodųjų skylių susijungimai — gerai paaiškina masyvių juodųjų skylių atsiradimą per milijardus metų. Šiame modele mažesnės „sėklos“ auga per dujų akreciją ir pasikartojančius susijungimus, kuriuos formuoja tamsiosios medžiagos gravitacinė struktūra ir Visatos plėtimąsi lemianti tamsioji energija. Tokia laiko linija paprastai reiškia aiškią prognozę: kuo giliau į praeitį žiūrime, tuo mažesnės turėtų būti centrinės juodosios skylės. Tačiau pastarieji stebėjimai verčia suabejoti šia paprasta priklausomybe ir rodo, kad ankstyvieji augimo mechanizmai galėjo skirtis nuo dabartinių.
Stebėjimai, kurie sugadino laikrodį
Įžengus į gilesnius stebėjimus su pažangiais instrumentais, tokiais kaip James Webb kosminis teleskopas (JWST), astronomai atrado kvazarus, varomus milijardų Saulės masių juodųjų skylių, kai Visatai buvo vos keli šimtai milijonų metų. Tokie ankstyvieji milžinai yra per dideli ir per anksti, kad juos pilnai paaiškintų lėtas, susijungimais varomas augimas. Net įvertinus optimalius scenarijus — didelius akrecijos greičius ir dažnus susijungimus — pasiekti 10^9 Saulės masių ribą per keletą šimtų milijonų metų tampa keblu, jeigu remiamės vien Eddingtono ribojamu augimu.
iliustracija apie juodosios skylės augimą esant itin dideliam (super-Eddington) akrecijos greičiui
Kodėl tai problema? Juodųjų skylių augimą per dujų akreciją riboja spinduliavimo slėgis: krentantys dujiniai sluoksniai įkaista ir išskiria fotonus, kurie grąžiniu atstumu stumia į vidų tekančią medžiagą. Ši riba — Eddingtono riba — nustato efektyviai maksimalų pastovų augimo greitį, kurį gali palaikyti juodoji skylė be stiprios grįžtamosios sąveikos (feedback). Esant Eddingtono ribojimui, net teoriškai maksimalūs ankstyvieji augimo tempai susiduria su laiko apribojimu: Salpeterio laikas (priklausomai nuo akrecijos efektyvumo, pvz., ~45 milijonai metų, jei efektyvumas ~0,1) tikrai leidžia augti, tačiau pasiekti milijardų Saulės masių per kelis šimtus milijonų metų reikalautų nuolatinio ir itin aukšto akrecijos koeficiento nuo sėklos pradžios.
Ar taisyklės galėjo būti kitokios kosminėse tamsybėse?
Naujas darbas, paskelbtas arXiv (Wu ir kt., 2025), naudoja pažangias hidrodinamines simuliacijas, kad ištirtų juodųjų skylių augimą kosminių tamsybių epochoje: laikotarpyje po rekombinacijos, kai susiformavo pirmosios neutros atomų sankaupos ir prieš plačią pirmųjų žvaigždžių šviesos rejonizaciją. Šis tarpsnis yra ypač svarbus, nes būtent tada iš pirminių tankio svyravimų išsikristalizavo pirmosios struktūros ir galimos juodųjų skylių sėklos.
Simuliacijos atskleidžia, kad egzistavo tankios srities, kuriose įprastinė spinduliavimo sukelta grįžtamoji reakcija negalėjo išvalyti dujų aplink kūnų jų susiformavimo pradžioje. Tokiuose kišenėse akrecija trumpam viršijo klasikines Eddingtono ribas — susidarė super-Eddingtono epizodai. Tokios epizodinės fazės leido sėkloms labai greitai priaugti, kartais iki maždaug 10 000 Saulės masių arba dar daugiau, daug sparčiau nei vėlesniais epochų etapais, kuriuose galioja griežtesnė spinduliavimo-valdomo feedback kontrolė.
Toks super-Eddingtono augimas turi kelis svarbius aspektus: pirmiausia, akrecijos režimas tampa nestacionarus ir stipriai priklausomas nuo vietinės dujų dinamikos, radiacijos transporto ir magnetohidrodinaminių procesų; antra, trumpalaikiai labai dideli masės prieaugiai gali pakeisti tolimesnę evoliuciją, nes masė ir išmetamųjų srautų charakteristikos lemia tolimesnį akrecijos režimą ir galimą izoliaciją nuo aplinkinių dujų šaltinių.
Apribojimai ir pastabos: šuolis, o ne maratonas
Vis dėlto simuliacijose pastebėtas super-Eddingtono pranašumas pasirodo esąs laikinas. Kai juodosios skylės pasiekia maždaug 10^4 Saulės masių lygį, spinduliavimas ir susidarantys išmetamieji srautai (angl. outflows) atkuria stiprų grįžtamosios sąveikos mechanizmą, kuris sulėtina akreciją ir vėl „sureguliuoja“ augimą link Eddingtono tipo normų. Per ilgesnius laiko intervalus juodosios skylės, kurios nuosekliai auga sub-Eddingtono režimu, gali prisivyti ar net aplenkti tas, kurios pirmiausia patyrė trumpalaikį super-Eddingtono šuolį. Autoriai siūlo palyginimą: Usain Bolt gali būti greičiausias sprinteris, tačiau ilgoje distancijoje nuoseklus maratonininkas jį aplenks — analogiškai, trumpalaikis greitas masės prieaugis ne visada užtikrina ilgalaikį masės pranašumą.
Juodųjų skylių modelių diagrama rodo, kad super-Eddingtono augimas neveda prie ilgalaikių masės pranašumų.
Trumpai tariant, super-Eddingtono akrecija ankstyvąja Visatos istorija gali palengvinti spartesnį pradines sėklas, bet ji savaime nepaaiškina labai aukšto raudonio kvazarų (z > 6–7) milijardinių Saulės masių juodųjų skylių. Tam reikia arba ypatingų pradinių sąlygų, arba papildomų, egzotiškesnių mechanizmų, kurie neišnyksta per vėlesnes evoliucijos stadijas.
Ką tai reiškia: masyvios sėklos ar egzotiškos kilmės?
Jeigu nei pastovus Eddingtono ribojamas augimas, nei trumpalaikiai super-Eddingtono epizodai, nei įprasti susijungimai negali pilnai paaiškinti ankstyvųjų milžinų atsiradimo, kosmologų bendruomenė yra verčiama svarstyti alternatyvias idėjas. Viena rimta galimybė — kad pačios sėklos buvo neįprastai masyvios: jos galėjo formuotis tiesiogiai susilpnėjus dideliems dujų debesiams (tiesioginis žlugimas, angl. direct-collapse black holes), iš tankių žvaigždžių spiečių arba net per egzotiškas procesijas vos po infliacijos. Tokios „sunkios sėklos“ (heavy seeds) galėtų pradėti kaip 10^4–10^6 Saulės masių objektai, radikaliai sumažindamos reikalingą augimą iki milijardinės masės.
Kitos nagrinėjamos kryptys apima greitą tiesioginį sugriuvimą metalų stokojančiose aplinkose (kur radiacinis aušinimas yra mažesnis ir leidžia išsaugoti dideles dujų mases), arba net primordines juodąsias skyles, susiformavusias dėl ankstyvosios Visatos fizikos. Kiekviena iš šių hipotezių turi konkrečių stebėjimo pasekmių: pavyzdžiui, sunkios sėklos pakeistų numatomą silpnų kvazarų skaičių aukštame raudonyje ir keistų ankstyvųjų galaktikų savybių pasiskirstymą, kaip masės, spinduliavimas ir metallicitė.
Svarbu paminėti ir šių scenarijų testavimo galimybes: svyravimai kvazarų šviesume, spektrinės linijos, aplinkinių galaktikų atsakas ir gravitacinių bangų signalai iš ankstyvųjų susijungimų yra tarp observacinių požymių, kuriais mokslininkai gali bandyti atskirti skirtingas kilmės teorijas. Kiekvienas paaiškinimas atneša savo požymių rinkinį, todėl komplementarinės stebėjimų programos — JWST, didelės žemės optikos observatorijos, radijo ir gravitacinių bangų detektoriai — yra būtinos norint surinkti pilną vaizdą.
Ekspertų įžvalgos
„Šios simuliacijos yra svarbus žingsnis, nes jos modeliuoja ankstyvos akrecijos netvarkingą hidrodinamiką,“ sako dr. Maya R. Santos, astrofizikė, besispecializuojanti juodųjų skylių formavime. „Jos parodo, kad gali įvykti super-Eddingtono epizodai, tačiau taip pat aiškiai nusako, jog norint pilnai paaiškinti pačius ankstyviausius kvazarus mums vis dar reikalingos arba itin masyvios pradinės sėklos, arba nauja fizika ar papildomi procesai.“
Ateityje JWST stebėjimai, naujos kartos žemės teleskopai ir tobulinamos simuliacijos leis griežčiau išbandyti šias galimybes. Atidžiai kartografuodami silpnus aukšto raudonio kvazarus ir jų šeimininkų galaktikas, astronomai tikisi išsiaiškinti, ar ankstyvos supermasyvios juodosios skylės yra retų ir masyvių sėklų palikuonys, ar kyla iš egzotiškesnių formavimosi kanalų. Toks atskyrimas turės įtakos ne tik juodųjų skylių evoliucijos modeliams, bet ir platesniam mūsų supratimui apie ankstyvąją struktūrų formavimąsi ir Visatos plėtrą.
Šaltinis: sciencealert
Palikite komentarą