Поруч із центром галактики Чумацький Шлях розташований величезний об’єкт, який астрономи називають Стрілець A*. Можливо, ця «надмасивна» чорна діра виросла разом з нашою галактикою, і не одна. Вчені підозрюють, що подібні гіганти ховаються в серці майже всіх великих галактик у космосі.
Деякі можуть стати дійсно великими, сказав Джозеф Саймон, докторант відділу астрофізики та планетарних наук Університету Колорадо в Боулдері.
«Чорна діра в центрі нашої галактики в мільйони разів перевищує масу Сонця, але ми також бачимо інші, які, на нашу думку, у мільярди разів перевищують масу Сонця», — сказав він.
Астрофізик присвятив свою кар’єру вивченню поведінки цих об’єктів, які важко спостерігати. У недавньому дослідженні він використовував комп’ютерне моделювання, або «моделі», щоб передбачити маси найбільших надмасивних чорних дір у Всесвіті — математична концепція, відома як функція маси чорної діри. Іншими словами, Саймон намагався визначити, що можна знайти, якщо помістити кожну з цих чорних дір одну за одною у величезний масштаб.
Його розрахунки показують, що мільярди років тому чорні діри могли бути в середньому набагато більшими, ніж колись припускали вчені. Ці знахідки можуть допомогти дослідникам розгадати ще більшу таємницю, прояснивши сили, які сформували такі об’єкти, як Стрілець A*, коли вони виросли з маленьких чорних дір у гігантів, якими вони є сьогодні.
«З різних джерел ми починаємо бачити, що з самого початку у Всесвіті існували досить великі речі», — сказав Саймон.
Він опублікував свої висновки 30 травня в The Astrophysical Journal Letters.
Галактична симфонія
Для Саймона ці «досить масивні речі» є його хлібом з маслом. Астрофізик є частиною другої дослідницької роботи під назвою Північноамериканська наногерцева обсерваторія гравітаційних хвиль (NANOGrav). Завдяки цьому проєкту Саймон і сотні інших вчених із США та Канади витратили 15 років на пошуки явища, відомого як «фон гравітаційної хвилі». Ця концепція стосується постійного потоку гравітаційних хвиль або гігантських хвиль у просторі та часі, які хвилеподібно поширюються у Всесвіті на майже постійній основі.
Цей космічний рух також завдячує своїм походженням надмасивним чорним дірам. Саймон пояснив, що якщо дві галактики стикаються одна з одною в космосі, їхні центральні чорні діри також можуть зіткнутися і навіть злитися. Вони обертаються довкола один одного, а потім збиваються разом, як дві тарілки в оркестрі — тільки цей удар тарілок породжує гравітаційні хвилі, які буквально викривляють тканину Всесвіту.
Однак, щоб зрозуміти фон гравітаційних хвиль, вченим спочатку потрібно знати, наскільки масивними насправді є надмасивні чорні діри у Всесвіті. Більші тарілки, сказав Саймон, створюють більший вибух і створюють набагато більші гравітаційні хвилі.
Є лише одна проблема.
«У нас є дійсно хороші вимірювання мас надмасивних чорних дір для нашої власної галактики та галактик, що знаходяться поруч», — сказав він. «У нас немає таких самих вимірювань для далеких галактик. Нам залишається лише здогадуватися».
У своєму новому дослідженні Саймон вирішив вгадати зовсім по-новому.
По-перше, він зібрав інформацію про сотні тисяч галактик, вік яких деяким мільярди років. (Світло може поширюватися дуже швидко, тому, коли люди спостерігають галактики, які знаходяться далі, вони дивляться назад у часі). Саймон використав цю інформацію для розрахунку приблизних мас чорних дір для найбільших галактик у Всесвіті. Потім він використовував комп’ютерні моделі для моделювання фону гравітаційних хвиль, які можуть створювати ці галактики і які зараз омивають Землю.
Результати Саймона розкривають повний шведський стіл надмасивних мас чорної діри у Всесвіті, які датуються приблизно 4 мільярдами років тому. Він також помітив дещо дивне: здавалося, що мільярди років тому у Всесвіті було набагато більше великих галактик, ніж передбачали деякі попередні дослідження. Це не мало сенсу.
«Очікувалося, що ви побачите ці справді масивні системи лише у сусідньому Всесвіті», — сказав Саймон. «Для того, щоб чорні діри виросли, потрібен час».
Проте його дослідження доповнює зростаючу кількість доказів того, що їм може знадобитися не так багато часу, як колись вважали астрофізики. Команда NANOGrav, наприклад, бачила подібні ознаки гігантських чорних дір, які ховалися у Всесвіті мільярди років тому. Наразі Саймон сподівається дослідити весь спектр чорних дір, що простягаються ще далі в минуле, відкриваючи підказки про те, як виникла Галактика Чумацький Шлях і, зрештою, наша Сонячна система.
«Розуміння маси чорних дір має вирішальне значення для деяких із цих фундаментальних питань, таких як фон гравітаційних хвиль, а також те, як ростуть галактики та як еволюціонував наш Всесвіт», — сказав Саймон. Джерело